Este documento describe la estructura de bandas de energía de los sólidos, incluidos los semiconductores. Explica las estructuras cristalinas de los semiconductores como el silicio y el arseniuro de galio, así como sus estructuras de bandas. También describe los semiconductores intrínsecos y extrínsecos de tipo n y p, incluidas sus propiedades eléctricas, ópticas y térmicas. Finalmente, presenta algunas aplicaciones de los semiconductores como los diodos rectificadores.

2. ESTRUCTURA DE BANDAS DE ENERGÍA DE LOS
SÓLIDOS
Representación esquemática de la energía de los
electrones en función de la separación interatómica.
(a) Representación convencional de la
estructura de bandas de energía de los
materiales sólidos. (b) Energía de los
electrones frente a la separación interatómica
para un grupo de átomos.
Estructuras de bandas de
energía para aislantes,
semiconductores y
conductores.
Intervalo prohibido de energía para algunos
semiconductores y aislantes.

3. ESTRUCTURA CRISTALINA DE LOS SEMICONDUCTORES
• Estructura tipo diamante: Si, Ge, etc.
• Estructura tipo blenda: GaAs, GaN, ZnS
• Estructura hexagonal wurtzita: SiC
MoS2.
Semiconductores laminares: dicalgenuros
Se apilan según el modelo
AbA CbC AbA CbC
Estructuras de bandas aproximadas para los dicalgenuros:
El metal ocupa
posiciones
octaédricas.
El metal ocupa
posiciones
prismáticas
trigonales.

4. SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS
• Diagrama de bandas de un
semiconductor:
Modelo del electrón ligado para la conducción
eléctrica en el Si intrínseco, antes de la excitación.
Modelo del electrón ligado en el silicio intrínseco después de la excitación.

5. SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS DE TIPO
N
Esquema de la estructura de bandas
de energía para un nivel de la
impureza donadora localizado dentro
del intervalo prohibido de energía.
•Excitación desde el estado donador para
crear un electrón libre en la banda de
conducción.
Un átomo de impureza (como el P)
con cinco electrones de valencia,
puede sustituir a un átomo de
silicio. Cada átomo de P que se
añade produce un electrón de
enlace extra que está ligado a la
impureza y se mueve a su
alrededor.
Excitación para formar un electrón libre. Movimiento de este electrón libre en
respuesta a un campo eléctrico.

6. SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS DE TIPO P
•Un átomo de impureza, que tiene tres electrones
de valencia, puede sustituir a un átomo de silicio.
Esto produce una deficiencia de un electrón de
valencia.
•Movimiento de este hueco en
respuesta a un campo eléctrico.
•Esquema de las bandas de energía para una impureza
aceptadora localizada en el intervalo prohibido de
energía.
•Excitación de un electrón a los niveles
aceptores dejando detrás un hueco en la banda
de valencia.

7. PROPIEDADES DE LOS SEMICONDUCTORES
 PROPIEDADES ELÉCTRICAS


1

Transportadores
de carga
Electrones libres Huecos
Conductividad:
Valores de algunos parámetros eléctricos:
he  
he epen  
Influencia de las impurezas en la conductividad eléctrica
• SEMICONDUCTOR INTRISECO
 he
pn
he enepen   
 impurezas

8. PROPIEDADES ELÉCTRICAS
• SEMICONDUCTOR EXTRÍNSECO
Semiconductor extrínseco de tipo n
e
pn
he enepen    
electronesdorestransporta 
Variación de la movilidad de los electrones con
la concentración de impureza donadora (tipo n).
Variación de la
resistividad con
la concentración
de impurezas.
Semiconductor extrínseco de tipo p
coshuedorestransporta 
h
pn
he epepen    
Variación de la movilidad de los electrones con
la concentración de impureza aceptora (tipo p)

9. PROPIEDADES ELÉCTRICAS
 Influencia de la temperatura en la conductividad eléctrica
kT
E
C
g
2
ln 
k
E
m
g
2


 T kT
E
Cpn
g
2
´lnln 

10. • Influencia de la temperatura en la conductividad eléctrica
orínoextrínT secintsec 
Disminución de la movilidad
del electrón al aumentar la
temperatura
Disminución de la
movilidad de los huecos al
aumentar la temperatura.
EFECTO HALL
Demostración
esquemática del
efecto Hall
d
BIR
V zxH
H 
en
RH
1


ep
RH
1



  

He
en
R
ee R
en
en
H
1


  

Hh
ep
R
hh R
ep
ep
H
1
Tipo n Tipo p
Concentración de
transportadores de carga
electronesV
hueV
H
H


0
cos0 Tipo de
transportadores
de carga
Tipo n
Tipo p
Movilidad de los transportadores de carga

11. PROPIEDADES MAGNÉTICAS
 


Clasificación de los sólidos por sus propiedades magnéticas:
• Diamagnético
• Paramagnético
• Ferromagnético
Semiconductores diamagnéticos no magnético
ESPINTRÓNICA
Tecnología que permite la manipulación de los electrones por sus
propiedades magnéticas, así como por su carga eléctrica (ejemplo
mezcla de ZnO y Co)
BALANZA DE GOUY
El método de Gouy se basa en la variación del peso de la
sustancia, suspendida en una balanza, producida por la
interacción con un campo magnético.
Diagrama esquemático de
la balanza de Gouy.

12. PROPIEDADES ÓPTICAS
 Refracción
a) Mecanismo de absorción de un de un fotón en un material no metálico donde un
electrón se ha excitado a través del intervalo prohibido y ha creado un hueco en la banda
de valencia.
b) Emisión de un fotón de luz por transición electrónica directa a través del intervalo
prohibido.
• Absorción
• Reflexión
v
c
n 
0I
I
R R


13. PROPIEDADES ÓPTICAS
 El color
Tabla del espectro electromagnético
visible.
Esquema de la composición de la luz
blanca (colores primarios y complementarios).
• Opacidad y translucidez

14. APLICACIONES DE LOS FENÓMENOS
ÓPTICOS
 Luminiscencia
En este fotómetro se observa como llega
la luz visibles a la lámina fotosensible y
la corriente de electrones generados por los
fotones (luz visible)
• Fotoconductividad
• Láseres

15. PROPIEDADES TÉRMICAS
 Capacidad calorífica
dT
dQ
C 
–Capacidad vibratoria
• Dilatación térmica
• Conductividad térmica
Fenómeno por el cual el calor es
transportado desde las regiones de
alta temperatura a las regiones de
baja temperatura de una sustancia


16. SILICIO SEMICONDUCTOR
• Preparación del silicio:
- Reacciona dióxido de silicio con carbón:
Del SiHCl3 (triclorosilano) obtendremos el Si más puro una vez
lo hayamos sometido a un método de destilación fraccionada.
• Purificación del Si policristalino
y crecimiento del monocristal:
1º- Destilación fraccionada; separamos parte de las impurezas.
2º- Fusión por zonas; purificamos prácticamente de forma total
el material.
Los átomos de Si comparten
sus 4 electrones.
  22 COimpuroSiCSiO 
- Seguidamente:
  )(3 23 gHSiHClHClimpuroSi 

17. APLICACIONES DE LOS SEMICONDUCTORES
• UNIÓN RECTIFICADORA P-N (DIODO)
Polarización directa: Polarización inversa:
Polarización directa
Polarización inversa
UNIÓN RECTIFICADORA P-N: semiconductor dopado de manera que
por un lado sea de tipo n (transportadores de carga los e-) y de tipo p en
el otro lado (los huecos).