Historia de Los Semiconductores

HISTORIA DE LOS SEMICONDUCTORES

Antonio de Jesús Quiroz Rivas

Francisco Javier Jiménez Coria

Roberto García Armenta

Luis Fernando Mendoza Orozco

Departamento de Ingeniería Electrónica - ITESZ

Carretera Zamora-La Piedad km 7. El Sauz de Abajo, Zamora, Mich.

[email protected]

Física de semiconductores

mailto:[email protected]

IntroducciónEn esta investigación se muestra un pequeño resumen sobre fechas importantes que marcaron nuestra historia en la tecnología, y veremos cómo fueron mejorando en innovaciones, mejoras y actualizaciones que se llevaron a cabo en los semiconductores, e información general al respecto de ellos.

Temas

1.- Algunas notas sobre la historia de los semiconductores

2.- Bandas de energía en un semiconductor

3.- Semiconductor intrínseco, extrínseco tipo N y extrínseco tipo P

4.- Generación y recombinación de portadores

5.- Corrientes de difusión y de arrastre. Resistencia de un semiconductor

6.- Ecuaciones de continuidad

7.- Cargas y campos en un semiconductor 1952: Primera aplicación: amplificadores para sordos

8.- Diagrama de bandas de energía

9.-Análisis de la unión PN

10.-Capacidades de transición y de difusión.

11.-Semiconductores de gap directo y de gap indirecto

12.-Absorción de radiación por un semiconductor

13.-La unión PN bajo iluminación


Contenido…

1.- ALGUNAS NOTAS SOBRE LA HISTORIA DE LOS SEMICONDUCTORES

1782: Alexander Volta introdujo el nombre de semiconductores para denominar una categoría de materiales de resistividad intermedia entre los conductores y los aislantes.

1873: Willoughby Smith descubre que el selenio aumenta su conductividad al ser iluminado.

1906: Greenleaf Pickart descubre que el silicio, la galena y otros cristales se pueden usar como detectores de ondas de radio presionando sobre ellos un hilo metálico.

1942: El norteamericano de origen austríaco Karl Lark-Horovitz consigue obtener cristales de germanio de alta pureza y calidad. Los dopa con otros elementos y realiza rectificadores para radar. Eran dispositivos fiables, reproducibles y fabricados en gran cantidad. Los semiconductores empiezan a ser aceptados por la comunidad científica.


NACE LA ELECTRONICA MODERNA: EL TRANSISTOR BIPOLAR

EL PROBLEMA. La electrónica de las válvulas de vacío consumía mucha energía, ocupaba mucho espacio y era muy frágil.

1947, 23 Diciembre: William Schockley, Walter Brattain y John Bardeen descubren el transistor bipolar, un transistor de puntas de contacto sobre germanio.


1952: Primera aplicación: amplificadores para sordos.

Problemas de los transistores de germanio: mal funcionamiento al aumentar la temperatura. Potencia de salida pequeña.

Alternativa: el silicio. Misma columna tabla periódica pero más resistivo. Pero no se sabía obtenerlo puro y cristalino.

1954: Gordon Teal, fabrica los primeros transistores bipolares de silicio en Texas Instruments. Se confirma un excelente comportamiento con la temperatura.


CIRCUITO INTEGRADOinvestigaciones

1958: Texas Instruments contrata a Jack Kilby. En las vacaciones de verano queda solo en la fábrica y se dedica a “jugar” realizando un circuito biestable con todos los componentes (R, C, transistores) de silicio. Los suelda con hilos y funciona.

Después realiza un oscilador de fase en un único cristal de germanio con tecnología mesa y conecta los componentes con hilos. Vuelva a funcionar.

1959, febrero: Jack Kilby patenta su invento: el circuito sólido.

1968, Robert Noyce y Gordon Moore fundan INTEL, 1er. empresa líder de microprocesadores.


Hasta el año 1972 el predominio de los CI digitales fue de los MOS sobre los bipolares, salvo cuando se requería gran velocidad, que era satisfecha con CI bipolares T2 L.

DESARROLLO EXPERIMENTADO POR LA MICROELECTRÓNICA


2.- MODELO DE BANDAS DE ENERGÍA DE UN SEMICONDUCTOR

El modelo de bandas de energía de un semiconductor consiste en la descripción de las energías que tienen o pueden tener los electrones del semiconductor. De forma similar a lo que ocurría en el pozo de potencial y en el modelo cuántico del átomo, los átomos del cristal crean una función potencial V(r) que provoca que la energía y el momento de los electrones están cuantificados

Definición de modelo:

• Modelo de enlace covalente.

• Modelo de bandas de energía.

• Modelo analítico o matemático.

• Modelo circuital o analógico.

Definición de modelo: El término modelo se refiere a una representación matemática que permite comprender la naturaleza de determinados comportamientos físicos que se dan en el material, pero que además permite avanzar en el conocimiento mediante la realización de descubrimientos importantes. Son cuatro los modelos que permiten analizar y comprender el comportamiento de los semiconductores y de los dispositivos semiconductores.

• Modelo de enlace covalente: Es el más simple. Permite hacerse una idea intuitiva de los procesos de conducción en semiconductores. Ofrece una representación cualitativa del comportamiento interno de los sólidos cristalinos.

• Modelo de bandas de energía: Es el más utilizado. Reúne las características de ser un modelo gráfico y matemático. Permite describir los fenómenos de transporte en semiconductores y dispositivos semiconductores de una forma cuantitativa.

• Modelo analítico o matemático: Describe mediante un conjunto de ecuaciones matemáticas los procesos físicos que tienen lugar en el semiconductor o dispositivo.


• Modelo circuital o analógico: Describe el comportamiento del dispositivo a nivel macroscópico en función de las magnitudes de tensión y de corriente. Adecuado para el análisis de circuitos en los que intervengan dispositivos semiconductores.

Banda de conducción: En semiconductores y aislantes, la banda de conducción es el intervalo de energías electrónicas que, estando por encima de la banda de valencia, permite a los electrones sufrir aceleraciones por la presencia de un campo eléctrico externo y, por tanto, permite la presencia de corrientes

banda de valencia: En la teoría de sólidos, se denomina banda de valencia al más alto de los intervalos de energías electrónicas que se encuentra ocupado por electrones en el cero absoluto. ...

Banda prohibida: La banda prohibida, en la física del estado sólido y otros campos relacionados, es la diferencia de energía entre la parte superior de la banda de valencia y la parte inferior de la banda de conducción. Está presente en aislantes y semiconductores.


3.- SEMICONDUCTOR INTRÍNSECO

Los materiales semiconductores, según su pureza, se clasifican de la siguiente forma:

1. Intrínsecos2. Extrínsecos

Se dice que un semiconductor es “intrínseco” cuando se encuentra en estado puro, o sea, que no contiene ninguna impureza, ni átomos de otro tipo dentro de su estructura. En ese caso, la cantidad de huecos que dejan los electrones en la banda de valencia al atravesar la banda prohibida será igual a la cantidad de electrones libres que se encuentran presentes en la banda de conducción.

Cuando se eleva la temperatura de la red cristalina de un elemento semiconductor intrínseco, algunos de los enlaces covalentes se rompen y varios electrones pertenecientes a la banda de valencia se liberan de la atracción que ejerce el núcleo del átomo sobre los mismos. Esos electrones libres saltan a la banda de conducción y allí funcionan como “electrones de conducción”, pudiéndose desplazar libremente de un átomo a otro dentro de la propia estructura cristalina, siempre que el elemento semiconductor se estimule con el paso de una corriente eléctrica.

Como se puede observar en la ilustración, en el caso de los semiconductores el espacio correspondiente a la banda prohibida es mucho más estrecho en comparación con los materiales aislantes. La energía de salto de banda (Eg) requerida por los electrones para saltar de la banda de valencia a la de conducción es de 1 eV aproximadamente. En los semiconductores de silicio (Si), la energía de salto de banda requerida por los electrones es de 1,21 eV, mientras que en los de germanio (Ge) es de 0,785 eV.


4.- GENERACIÓN Y RECOMBINACIÓN DE PORTADORESGeneración: Creación de un par electrón-hueco mediante captura de un cuanto de energía térmica (fonón), electromagnética (fotón) o cinética. Se cuantifica por g = nº portadores generados por cm3 y por segundo.

Recombinación: Aniquilación de un par electrón-hueco por reconstrucción del enlace covalente. Se emite la energía de exceso. Se cuantifica por r = nº de portadores recombinados Por cm3 y por segundo.

Tiempo de vida de un portador: tiempo transcurrido desde la generación hasta la recombinación.

Régimen estacionario: situación en la que r = g, y que por tanto n i p son constantes. Un caso significativo es el del equilibrio térmico a una T determinada: rth = gth i n = n0, p = p0


5.- CORRIENTE DE DIFUSIÓNMovimiento de agitación térmica de los portadores: aleatorio (similar al de las moléculas de un gas)

Difusión de portadores: movimiento de los portadores que tiende a igualar las concentraciones en todos los puntos.

Es originado por la agitación térmica.

Hay un desplazamiento neto de portadores desde los puntos de mayor hacia los de menor concentración.

Corrientes de difusión:


RESISTENCIA DE UN SEMICONDUCTOR

Concepto: cuando se aplica una tensión V a un semiconductor homogéneo circula una corriente proporcional a V: I = V/R.

Si el semiconductor es homogéneo al aplicar la tensión V se origina un campo eléctrico en su interior dado por: El = V/L

Este campo eléctrico origina una corriente de arrastre: I = Iap+Ian = qApvp+qAnv

Si el campo eléctrico es débil las velocidades de arrastre son proporcionales a él. Por tanto: I = qA[p·µp + n·µn]·El

Finalmente,

R = V/I = ρ·(L/A)

ρ = 1/σ; σ = q[p·µp + n·µn]

σ = conductividad del semiconductor

Nota: Si El es intenso la velocidad deja de ser proporcional a Eel y la expresión de R no es válida


6.- EQUACIONES DE CONTINUIDAD

Concepto: incremento de la concentración en un volumen diferencial como resultado del balance entre la generación, la recombinación, el flujo de portadores que entran y que salen

Aproximación: Si la concentración de mayoritarios es aproximadamente la de equilibrio, solo se resuelve la ecuación de continuidad de minoritarios aproximada de las siguientes formas:


http://www.wikipedia.com.org/

7.- CARGAS Y CAMPOS EN UN SEMICONDUCTOR


8.- DIAGRAMA DE BANDAS DE ENERGIA


9.- LA UNIÓN PN.


10.- CAPACIDADES DE TRANSICIÓN Cj Y DE DIFUSIÓN


11.- SEMICONDUCTORES DE GAP DIRECTO Y DE GAP INDIRECTO


12.- ABSORCIÓN DE LA RADIACIÓN POR UN SEMICONDUCTOR

13.- LA UNIÓN PN BAJO ILUMINACIÓN


Conclusiones

García Armenta RobertoEste trabajo nos muestra algunos hechos importantes que definieron la electrónica moderna, pero principalmente nos muestra las


características principales de los semiconductores y nos muestra su comportamiento.

Jiménez Coria Francisco JavierComo resultado de investigación podemos ver los grandes cambios que se le hicieron al diodo, desde su invención; de ser una cosa muy grande con un desperdicio de calor y espacio, son una pequeñez a como estaban antes a hora los podemos encontrar diminutos y aun van avanzando más las tecnologías q pueden llegar a ser microscópicos.

Mendoza Orozco Luis FernandoComprobamos que en el resultado de la investigación podemos ver los cambios que le hicimos al diodo, tienen mucha diferencia de cómo eran antes a la actualidad por los avances de la tecnología.

Quiroz Rivas Antonio de Jesús A lo que pudimos notar en el transcurso de la investigación, es sorprendente las innovaciones, mejoras y actualizaciones que se llevaron a cabo en los semiconductores, en los últimos 10 años se ha mejorado mucho a comparación de cuando se descubrió en un principio, solo tengo en mente, que será dentro de 5 o 10 años microscópicos ? micro semiconductores?

Bibliografía García Álvarez J. A. E. (2012) Que son los semiconductores [en línea] Editor:

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http://aprendeenlinea.udea.edu.co/lms/moodle/mod/wiki/view.php?id=46360&page=Breve+Historia+de+la+Fisica+de+Semiconductores&gid=0&uid=0



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