Introducción a la Física de Semiconductores
1. Introducción
Dispositivos eléctricos vs. Electrónicos
Los dispositivos eléctricos no controlan ninguna variable de entrada en su circuito. Un voltaje que entra por un extremo de un conductor, tiene como resultado íntegramente el mismo en su salida.
Un dispositivo electrónico controla alguna de las variables de entrada al circuito. Por ejemplo, al entrar un voltaje y una corriente a un diodo, alguno de los dos es alterado. En este caso, el voltaje sale con un valor diferente. Esta es la diferencia entre unos dispositivos y otros.
Para nuestros propósitos, la definición de dispositivo electrónico es aquel que permite controlar el movimiento de cargas eléctricas (corrientes) en materiales semiconductores bajo la presencia de diversas energías.
Conductores y aisladores
Los sólidos que tienen una resistividad eléctrica pequeña a la temperatura ambiente se llaman conductores. Aquí están incluidos la mayoría de los metales como el cobre, el aluminio y la plata.
Los sólidos que tienen una resistividad eléctrica elevada a la temperatura ambiente se llaman aisladores. Ejemplos de sólidos de este tipo son la porcelana, el cuarzo, el vidrio y la mica.
Niveles de energía
Para que tenga lugar la conducción, ha de haber un movimiento de electrones. En la teoría atómica se explican las propiedades eléctricas de los elementos por el concepto de las bandas de energía.
Los electrones de la órbita exterior de un átomo pueden ser desplazados de ella con la menor cantidad de energía y se llaman electrones de valencia. Estos electrones tienen unos niveles o bandas de energía definidas (vea la figura de junto) y la conductividad de un elemento está determinada por la energía necesaria para desplazar sus electrones de valencia desde su nivel normal de energía, o banda de valencia, hasta el nivel más elevado, llamado banda de energía o de conducción. La distancia que recorre un electrón en su camino desde la banda de valencia hasta la banda de energía varía con cada tipo de átomo. La laguna de energía que separa las bandas de conducción y de valencia en un aislador es muy grande, y es muy difícil para un electrón de valencia el alcanzar la banda de energía. En un conductor las bandas de energía y de valencia están solapadas y los electrones de valencia son válidos para la conducción.
En un semiconductor la laguna de energía es muy pequeña, y la energía térmica de los electrones de valencia a la temperatura ambiente es suficiente para permitir una conducción apreciable. Dado que un electrón no puede permanecer en el espacio situado entre las bandas de valencia y de energía, esta región se llama zona prohibida.
2. Semiconductores
Un semiconductor es un elemento con valencia 4, lo que quiere decir que un átomo aislado de semiconductor tiene 4 electrones en su órbita exterior o de valencia. El número de electrones en la órbita de valencia es clave para la conductividad eléctrica. Los conductores poseen un electrón de valencia, los semiconductores tienen 4 y los aislantes 8 electrones de valencia.
Germanio
El germanio es un ejemplo de semiconductor. En el centro se halla un núcleo con 32 protones. En este caso los electrones se distribuyen como sigue: 2 electrones en la primera órbita, 8 en la segunda y 18 en la tercera. Los últimos 4 electrones se localizan en la órbita exterior o de valencia.
Silicio
El material semiconductor más ampliamente utilizado es el silicio. Un átomo aislado de silicio tiene 14 protones y 14 electrones. Como puede apreciarse en la figura de la izquierda, la primera órbita contiene 2 electrones, y la segunda contiene 8. Los cuatro electrones restantes se hallan en la órbita exterior.
En la misma figura, el núcleo y las dos primeras órbitas constituyen la parte interna del átomo de silicio. Esta parte tiene una carga resultante de +4 debido a los 14 protones en el núcleo y los 10 electrones de las dos primeras órbitas. Obsérvese que hay 4 electrones en la órbita exterior o de valencia; por este motivo, el silicio es un semiconductor.
3. Semiconductores Intrínsecos
Un semiconductor intrínseco es un semiconductor puro. Un cristal de silicio es un semiconductor intrínseco si cada átomo del cristal es un átomo de silicio. A temperatura ambiente, un cristal de silicio se comporta más o menos como un aislante, ya que tiene solamente unos cuantos electrones libres y sus huecos producidos por excitación térmica.
Flujo de electrones libres
La figura anexa muestra parte un cristal de silicio entre dos placas metálicas cargadas. Supóngase que la energía térmica ha producido un electrón libre y un hueco. El electrón libre se halla en una órbita grande en el extremo derecho del cristal. Debido a la placa cargada negativamente, el electrón libre es repelido hacia la izquierda. Este electrón puede pasar de una órbita grande a la siguiente hasta alcanzar la placa positiva.
Flujo de huecos
Obsérvese el hueco a la izquierda de la figura anterior. Este hueco atrae el electrón de valencia del punto A, lo que provoca que el electrón de valencia se mueva hacia el hueco. Esta acción no es la misma que la recombinación, en la cual un electrón libre cae en un hueco. En vez de un electrón libre, se tiene un electrón de valencia moviéndose hacia un hueco.
Cuando el electrón de valencia en el punto A se mueve hacia la izquierda, crea un nuevo hueco en el punto A. El efecto es el mismo que si el hueco original se desplazara hacia la derecha. El nuevo hueco en el punto A puede atraer y capturar otro electrón de valencia. De esta forma, los electrones de valencia pueden desplazarse a lo largo de la trayectoria indicada por las flechas. Esto quiere decir que el hueco se puede mover en el sentido opuesto a lo largo de la trayectoria A-B-C-D-E-F.
4. Semiconductores Extrínsecos
Una forma de aumentar la conductividad de un semiconductor es mediante el dopado. El dopado supone que deliberadamente se añaden átomos de impurezas a un cristal intrínseco para modificar su conductividad eléctrica. Un semiconductor dopado se llama semiconductor extrínseco.
Existen dos materiales extrínsecos de gran importancia para la fabricación de dispositivos semiconductores: el tipo n y el tipo p.
Material tipo n
Tanto los materiales tipo n como los p se forman agregando un número predeterminado de átomos de impurezas a una base de germanio o silicio. El tipo n se crea añadiendo todos aquellos elementos de impurezas que tengan cinco electrones de valencia (pentavalentes), tal como el antimonio, arsénico y fósforo. El efecto de tales elementos de impurezas se indica en la figura de junto (usando antimonio como la impureza en una base de silicio). Note que los cuatro enlaces covalentes todavía están presentes. Hay sin embargo, un quinto elemento adicional debido al átomo de impureza, que está desasociado con cualquier enlace covalente particular. Este electrón sobrante, enlazado débilmente a su átomo padre (antimonio), es relativamente libre de moverse dentro del material nuevamente formando de material tipo n. Puesto que átomo de impureza insertado ha donado un electrón relativamente «libre» a la estructura, a las impurezas con cinco electrones de valencia se les denomina átomos donadores.
En el material tipo n, a los electrones se les conoce como portadores mayoritarios, mientras que a los huecos se les denomina portadores minoritarios.
Material tipo p
El silicio que ha sido dopado con impurezas trivalentes se llama semiconductor tipo p, donde p hace referencia a positivo. Los elementos más frecuentemente utilizados para este fin son boro, galio e indio. El efecto de uno de estos elementos, boro, en una base de silicio se indica en la figura de la izquierda.
Hay que notar que ahora hay un número insuficiente de electrones para completar los enlaces covalentes del nuevo enrejado formado. La vacante resultante se le denomina hueco y se representa por un pequeño circulo o un signo positivo debido a la ausencia de una carga negativa. Puesto que la vacante resultante aceptará rápidamente un electrón «libre», las impurezas agregadas es denominada átomo aceptor.
En este tipo de material a los huecos se les conoce como portadores mayoritarios y los electrones libres son denominados portadores minoritarios.
Fabricación de semiconductores
Para que un fabricante pueda adoptar un semiconductor, debe producirlo inicialmente como un cristal absolutamente puro. Controlando posteriormente la cantidad de impurezas, puede determinar con precisión las propiedades del semiconductor. Inicialmente resultaba más fácil producir cristales puros de germanio que de silicio. Por esta razón los primeros dispositivos semiconductores estaban hechos de germanio. Después mejoraron las técnicas de fabricación y se pueden obtener cristales puros de silicio. Por las ventajas que tiene, el silicio se ha erigido como el material semiconductor más popular y útil.
Técnicas de fabricación
El primer paso en la fabricación de un dispositivo semiconductor es obtener materiales semiconductores, como germanio y silicio, del nivel de impurezas deseado. Los niveles de impurezas de menos de una parte en mil millones (1 en 1.000.000.000) se requiere para la mayor parte de la fabricación de semiconductores de hoy día.
La materia prima se somete primero a una serie de reacciones químicas y a un proceso de refinación de zona para formar un cristal policristalino del nivel deseado de pureza. Los átomos del cristal policristalino se acomodan al azar, mientras que en el cristal deseado los átomos se acomodan en forma simétrica, uniforme, con estructura geométrica en enrejado.
El aparato de refinamiento de zona se muestra en la figura de la derecha. Consta de un bote de grafito o cuarzo para contaminación mínima, un recipiente de cuarzo y un conjunto de bobinas de inducción de RF (radio-frecuencia). Las bobinas o el bote se deben mover a lo largo del recipiente de cuarzo. El mismo resultado se debe obtener en cualquier caso, aunque el de las bobinas móviles es el más popular. El interior del recipiente de cuarzo se le llena con un gas inerte (poca o no mayor reacción química), o se le hace el vacío, para reducir la posibilidad de contaminación. En el proceso de refinamiento de zona, se coloca una barra de germanio en el bote con las bobinas en un extremo de la barra como se muestra en la figura. La señal de radio frecuencia se aplica entonces a la bobina, para inducir un flujo de carga (corrientes de eddy) en el lingote de germanio. La magnitud de estas corrientes se incrementa hasta que se desarrolle suficiente calor para fundir la región del material semiconductor. Las impurezas del lingote entrarán en un estado más líquido que los alrededores del material semiconductor. Si las bobinas de inducción de la figura se mueven ligeramente a la derecha al inducir la fundición en la región vecina, las impurezas «más fluidas» «seguirán» la región derretida. El resultado neto es que un gran porcentaje de las impurezas aparecerá en el extremo derecho del lingote cuando las bobinas de inducción hayan llegado a este extremo. Este trozo extremo de impurezas puede cortarse y el proceso completo se puede repetir hasta alcanzar el nivel de impurezas deseado.
La operación final antes de que la fabricación del semiconductor se lleve a cabo es la formación de un solo cristal de germanio o silicio. Esto se puede lograr usando la técnica de Czochralski o la de zona flotante, la última es la que se ha diseñado recientemente. El aparato empleado en la técnica de Czochralski se muestra en la página siguiente de esta memoria.
El material policristalino se transforma primero a su estado derretido por medio de las bobinas de inducción de RF. La «semilla» de un solo cristal del nivel de impureza deseado se sumerge en el germanio derretido y se retira gradualmente mientras que el eje que sostiene la semilla se voltea lentamente. Cuando la «semilla» es retirada, un solo cristal de germanio con estructura en enrejado crecerá sobre la «semilla» como se muestra en la figura. Los lingotes de un solo cristal tienen típicamente entre 6 y 36 pulgadas de longitud y entre 1 y 5 pulgadas de diámetro. Han sido desarrollados lingotes que tienen 48 pulgadas de longitud y 3 pulgadas de diámetro. El peso de una estructura como ésta es de alrededor de 28.5 lb.
La técnica de zona flotante elimina la necesidad de tener simultáneamente un proceso de zona de refinamiento y de formación de un solo cristal. Ambos pueden lograrse al mismo tiempo utilizando esta técnica. Una segunda ventaja de este método es la ausencia del grafito o del cristal de cuarzo, que a menudo introduce impurezas en el germanio o en el lingote de silicio. Dos soportes sostienen la barra de germanio o silicio en la posición vertical dentro de un conjunto de bobinas de inducción móviles de RF como se muestra en la figura de la derecha.
Una «semilla» de un pequeño cristal del nivel de impureza deseado se deposita en el extremo inferior de la barra y se calienta con la barra de germanio hasta alcanzar el estado derretido. Las bobinas de inducción se mueven lentamente hacia arriba del lingote de germanio o silicio mientras que la barra se rota lentamente. Como antes, las impurezas siguen al estado derretido, produciendo por debajo de la zona un solo cristal enrejado de germanio con un nivel de impureza mejorado. Por medio de un control adecuado del proceso, siempre habrá suficiente tensión de superficie en el material semiconductor para garantizar que el lingote no se rompe en la zona derretida.
La estructura del cristal simple producida puede cortarse en obleas algunas veces tan delgadas como 1/1000 (ó 0.001) de pulgada (? 1/5 del espesor de este papel).Este proceso de corte puede lograrse usando el sistema de la figura de la izquierda. En la figura, los alambres de tungsteno (0.001 pulgadas de diámetro) con superficies de depósitos abrasivo se conectan a bloques de soporte con espaciamiento adecuado y el sistema completo se mueve para adelante y para atrás como una sierra.
El efecto Hall
En esencia, el efecto Hall dice que cuando un conductor que lleva corriente se coloca en un campo magnético, se genera un voltaje en la dirección perpendicular tanto a la corriente como al campo magnético. Esta observación proviene de la desviación de los portadores de carga hacia uno de los lados del conductor como resultado de la fuerza magnética experimentada por los portadores de carga. El efecto también da lugar a una técnica para medir los campos magnéticos.
Para observa el efecto Hall, un campo magnético se aplica se aplica a un conductor que lleve corriente. Cuando I está en la dirección de x y B en la dirección de y como se muestra en la imagen, tanto los portadores de carga positivos como negativos son desviados hacia arriba en el campo magnético. El voltaje Hall es medido entre los puntos a y c.
La cantidad 1/nq se conoce como coeficiente Hall, RH. La ecuación indica que puede utilizarse una muestra apropiadamente calibrada para medir la intensidad de un campo magnético desconocido.
Ya que no pueden medirse todas las cantidades que aparecen en la ecuación, excepto nq, se obtiene con facilidad un valor para el coeficiente Hall. El signo y magnitud de RH proporciona el signo de los portadores de carga y su densidad. Hay que hacer notar que para semiconductores como el silicio y el germanio la fórmula no es del todo válida ya que sólo pueden ser explicadas las discrepancias si se aplica un modelo basado en la naturaleza cuántica de los sólidos.
Nivel de Fermi
Los números de portadores libres (electrones y huecos) en cualquier parte macroscópica de semiconductor son relativamente grandes, lo suficientemente grandes como para aplicar las leyes de la mecánica estadística con el fin de determinar las propiedades físicas. Una propiedad importante de los electrones en los cristales es su distribución, en el equilibrio térmico, entre los estados permitidos de energía. Las consideraciones básicas de las maneras de poblar los estados permitidos de energía, con partículas sujetas al principio de exclusión de Pauli, conduce a una función de distribución para los electrones en la energía, que se llama función de distribución de Fermi-Dirac.
Donde EF es una energía de referencia llamada energía de Fermi o nivel Fermi. A partir de la ecuación se ve que ? D (EF) siempre es igual a ½ . La función de distribución de Fermi-Dirac, a menudo conocida simplemente como función de Fermi, describe la probabilidad de que un estado en la energía, E, se llene por medio de un electrón. Como se muestra en la figura, en a), la función de Fermi tiende a la unidad, a energías mucho menores que EF, indicando que, principalmente, los estados inferiores se llenan de energía. La función es muy pequeña a energías superiores, indicando que, en el equilibrio térmico pocos electrones se encuentren en estados de alta energía, lo que es congruente con la intuición física. A la temperatura del cero absoluto, todos los estados permitidos por debajo de EF, están llenas y todos los estados por encima de él están vacíos. A temperaturas finitas, la función de Fermi no cambia tan abruptamente; se tiene una probabilidad pequeña de que algunos estados, por encima del nivel de Fermi, están ocupados y algunos estados por debajo de él están vacíos.
La función de Fermi sólo representa una probabilidad de ocupación y no contiene información alguna acerca de los estados disponibles para ser ocupados y, por lo tanto, no puede, por sí misma, especificar la población de electrones de una energía dada. Una aplicación de la física cuántica a un sistema revelará la información acerca de la densidad de estados disponibles.
5. Tecnología de los semiconductores
Difusión
El proceso de difusión generalmente comprende dos pasos. Primero, los átomos contaminantes se colocan sobre o cerca de la superficie de la oblea, mediante un paso de depósito gaseoso, o bien, cubriendo la oblea con una capa que contenga la impureza contaminante deseada. Después le sigue una difusión de introducción, la cual mueve a los átomos contaminantes más hacia la oblea. La forma de la distribución del contaminante queda determinada principalmente por la manera en que se coloca el contaminante cerca de la superficie, mientras que la profundidad de la difusión depende principalmente de la temperatura y del tiempo de la difusión de introducción. Dado que las características de los dispositivos semiconductores dependen de la naturaleza del perfil del contaminante, resulta útil analizar un poco más el proceso de difusión.
Cuando los átomos contaminantes se colocan sobre un trozo de silicio y la oblea se calienta hasta una temperatura lo suficientemente alta, los átomos contaminantes emigran en el cristal. Este movimiento ocurre debido al gradiente de concentración de los átomos contaminantes, con los átomos moviéndose desde la región de alta concentración, cercana a la superficie, hacia las regiones de concentración más baja, hacia adentro de la oblea. La difusión de los átomos contaminantes surge de la misma manera que la corriente de difusión de los portadores libres. La principal diferencia entre los dos casos es la temperatura necesaria, antes de que ocurra la migración. Comúnmente, los átomos contaminantes deben hacer su camino a través de la red, encontrando lugares vacantes dejados por el silicio, mientras que los portadores libres en la banda de valencia o de conducción pueden moverse sin que esto se lleve a efecto. Se requieren temperaturas del orden de los 1000° C para suministrar la energía necesaria para que se presente una difusión apreciable de los átomos contaminantes típicos.
Implantación ionica
A veces se utiliza ésta técnica como una alternativa a la difusión, con el fin de introducir átomos contaminantes en regiones seleccionadas de un dispositivo semiconductor. Primero se ioniza el átomo contaminante deseado y, a continuación, se acelera mediante un campo eléctrico, hasta una energía alta (típicamente, de 20 a 200 KeV). Un haz de estos iones de alta energía choca contra la superficie del conductor y penetra en las regiones expuestas de la oblea. Típicamente, la penetración es de menos de una micra hacia debajo de la superficie y, durante una implantación, se hace un daño considerable al cristal. Como consecuencia, se requiere un tratamiento subsiguiente de recocido, para restaurar la calidad de la red cristalina y asegurar que los átomos contaminantes implantados están localizados en posiciones de sustitución en donde actuarán como donadores o aceptores. Si se desea, después de que se han implantado los iones, pueden redistribuirse a través de una difusión subsiguiente.
Pueden usarse varios materiales, tales como fotorresistencias o metales, para evitar que los iones entren a regiones seleccionadas de la oblea, precisamente como se usa el óxido para evitar que las impurezas contaminantes entre a porciones de una oblea, durante un depósito gaseoso. Sin embargo, a diferencia de la difusión, la implantación de iones permite un control preciso del número de átomos contaminantes que entra a la oblea, como iones eléctricamente cargados, durante la implantación, es posible contar las cargas por medio de un aparato relativamente sencillo, y puede darse por terminada la implantación, cuando se ha implantado la cantidad deseada. Además del control del número total de átomos contaminantes, la implantación de iones ofrece también una pureza más alta de las especies contaminantes que la que se obtiene con la difusión gaseosa.
6. Resumen
Incluye terminología básica sobre semiconductores. Conductores, aisladores,
niveles de energía, germanio, silicio, semiconductores intrínsecos,
extrínsecos, material tipo n, tipo p, fabricación de semiconductores, efecto
Hall, nivel Fermi, tecnología de los semiconductores.