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1.- teoría de bandas para materiales conductores, inorgánico

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Sergio Cesar Aguilar Cruz

on 18 May 2015

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Transcript of 1.- teoría de bandas para materiales conductores, inorgánico

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL ESTADO DE HIDALGO
Aguilar Cruz Sergio Cesar
Islas Flor Raúl
López Villar Brayan Iván
1.- teoría de bandas para materiales conductores, inorgánicos o cristalinos
2.- Clasificación de los materiales según su conductividad eléctrica
3.- Tipo de material con el que esta fabricada una fibra óptica, principal mente núcleo
4.- Propiedades ópticas y eléctricas de semiconductores , fotoconductividad
5.- Ejemplos de dispositivos optoelectrónicos, celda solar,fibra óptica transistor, diodo emisor de luz , fe, mosfet

6.- Proceso para la obtención de obleas de silicio


La optoelectrónica es la rama de la electrónica que trata con la luz. los dispositivos ópticos son aquellos que responden a la radiación de la luz, o que emiten radiación. Estos dispositivos responden a una frecuencia específica de radiación. básicamente hay tres bandas en el espectro óptico de frecuencias:

-infrarrojo: esta banda corresponde a las longitudes de onda de la luz que son muy largas para ser vistas por el ojo humano.

-Visible: corresponde a las longitudes de onda a las cuales responde el ojo humano. comprende aproximadamente entre los 400nm y 800nm de longitud de onda. en esta banda están comprendidos todos los es que el ojo humano distingue:

-Ultravioleta: longitudes de onda que son muy cortas para ser vistas por los humanos

El campo de la optoelectrónica se ha convertido en una área de creciente interés en la electrónica; dispositivos tales como led´s optocopladores y fotodetectores se están construyendo ahora con una mayor capacidad de manejo de corriente. la optoelectrónica ha probado ser de alta efectividad en el campo de las comunicaciones, donde las fibras ópticas pueden manejar frecuencias mayores a las velocidades de conmutación de la electrónica de hoy en día.

La fibra óptica es el material que constituye la base de las modernas redes de telecomunicaciones de alta capacidad. Una fibra óptica no es más que un larguísimo filamento de vidrio, tan fino que es perfectamente flexible, debidamente protegido por una camisa plástica.

La fabricación de fibra óptica es un proceso de alta tecnología. Tengamos en cuenta que el grosor estándar de la fibra es 125 micras y el núcleo es de unas 8 micras.
El núcleo se realizan con vidrio extremadamente puro,  El núcleo está diseñado para tener un mayor índice de refracción.

Dispositivos opto electrónicos
Estructura de la fibra Óptica
La estructura de la fibra óptica es relativamente sencilla, aunque la mayor complejidad radica en su fabricación.
La fibra óptica está compuesta por dos capas, una de denominada Núcleo y la otra denominada Recubrimiento.
La relación de diámetros es de aproximadamente 1 de recubrimiento por 3 de núcleo.


El extra delgado hilo de vidrio está cubierto por una capa plástica que le brinda la protección necesaria, aunque normalmente un gran conjunto de fibras se unen entre sí para obtener mayor seguridad.

Proceso de Obtención de Obleas de Silicio
Núcleo del cable: cleo del cable: – Elementos estructurales Elementos estructurales
Metálicos: hilos de acero : hilos de acero
No metálicos (cables diel cables dieléctricos ctricos): Filamentos de pl ): Filamentos de plástico, fibras (poli stico, fibras (poliéster aromático, Kevlar® de Du Pont), vidrio ), vidrio

Un tercio del peso de la corteza terrestre es debido al silicio. Es el segundo elemento más abundante en ella después del oxígeno.

En la naturaleza, el silicio se compone en un 92.2% de Silicio 28, 4.7% de Silicio 29 y 3.1% de Silicio 30, todos ellos estables. El silicio puro es un semi-metal y sus propiedades son similares a las del germanio, siendo su característica de semiconductor la que más interesante lo hace para la fabricación de circuitos electrónicos. Pero de eso hablaremos más adelante. En la corteza terrestre, el silicio representa un 27.7% del total de elementos, solo por detrás del oxígeno (que es un 46.6%) y por delante del aluminio (un 8.13%).

Pues bien, para poder obtener el silicio apropiado para fabricar materiales electrónicos hace falta un proceso químico que permita obtener a partir de la arena de silicio un silicio muy purificado y hacerlo crecer en la forma apropiada para trabajar con él.

Fase Líquida, alternativa a fase vapor , alternativa a fase vapor
Deposición interna en fase vapor
El inventor del proceso que se utiliza para hacer crecer monocristales de silicio fue el químico polaco jan czochralski en 1916. lo descubrió, según cuentan, por accidente. supuestamente se equivocó al dejar su pluma en un crisol de estaño fundido en vez de en el tintero y al sacarla observó que de la punta de la pluma colgaba un hilo de metal solidificado. con este método primitivo era capaz de generar filamentos de un milímetro de grosor y de más de un metro de longitud.

El proceso se perfeccionó cuando en los años 50 los laboratorios bell lo emplearon para hacer crecer mono cristales de germanio. era cuestión de tiempo que se empleara con otros semiconductores, como el silicio.

El esquema es el siguiente:
Se dispone un contenedor con silicio altamente purificado (más de un 99.9999%) en polvo, con las impurezas.
Se introduce una “semilla” en el silicio fundido, lo cual sucede a unos 1500ºc.
Se genera el mono cristal a partir de la semilla, que rota, creando un lingote cilíndrico.
La semilla es una pequeña muestra de monocristal de silicio que se coloca sobre una sonda, que va a rotar. Esta parte es clave puesto que tal como sea la semilla así será el monocristal que crezca a partir de ella. Una vez se introduce en el crisol de silicio fundido se va elevando muy lentamente mientras rota, a la vez que se va formando el monocristal a partir de la punta.
Después de este proceso perfeccionado en la actualidad se habrá obtenido un monocristal cilíndrico de entre 200-300 mm de diámetro (aunque se espera alcanzar los 400 mm en el futuro) y hasta dos metros de longitud.
Finalmente con el monocristal enfriado se puede proceder a su laminado en obleas de 100 a 300 micras de grosor si son, por ejemplo, para fabricar paneles solares. Si se emplean en circuitería una vez fabricada la oblea, sobre ésta se puede imprimir el circuito deseado. La impresión de los circuitos puede hacerse por deposición química.

Las células o celdas solares son dispositivos que convierten energía solar en electricidad, ya sea directamente vía el efecto fotovoltaico, o indirectamente mediante la previa conversión de energía solar a calor o a energía química.

La forma más común de las celdas solares se basa en el efecto fotovoltaico, en el cual la luz que incide sobre un dispositivo semiconductor de dos capas produce una diferencia del fotovoltaje o del potencial entre las capas. este voltaje es capaz de conducir una corriente a través de un circuito externo de modo de producir trabajo útil.

Celda solar
La fibra óptica es una delgada hebra de vidrio o silicio fundido que conduce la luz. Se requieren dos filamentos para una comunicación bi-direccional: TX y RX.
El grosor del filamento es comparable al grosor de un cabello humano, es decir, aproximadamente de 0,1 mm. En cada filamento de fibra óptica podemos apreciar 3 componentes:
La fuente de luz: LED o laser.
el medio transmisor : fibra óptica.
el detector de luz: fotodiodo.
Un cable de fibra óptica está compuesto por: Núcleo, manto, recubrimiento, tensores y chaqueta.
Las fibras ópticas se pueden utilizar con LAN, así como para transmisión de largo alcance, aunque derivar en ella es más complicado que conectarse a una Ethernet. La interfaz en cada computadora pasa la corriente de pulsos de luz hacia el siguiente enlace y también sirve como unión T para que la computadora pueda enviar y recibir mensajes.

Fibra Óptica
Los transistores son conmutadores electrónicos en miniatura.  Muy similar a un simple interruptor de la luz, un transistor tiene dos posiciones, apagado y encendido. Esto permite el paso de electrones por un lado o por otros según la necesidad. Este pequeño dispositivo es creado usando tres capas en lugar de dos como tiene el diodo. Para entender como funcionan los transistores, es necesario comprender como funciona un circuito electrónico conmutado. Los circuitos electrónicos consisten en varias partes. Una es el camino donde la corriente eléctrica fluye a través del cable. La otra parte es un conmutador que para o inicia el flujo eléctrico abriendo o cortando el recorrido del circuito. Los transistores no tienen partes móviles y se apagan y encienden por señales eléctricas. Estas conmutaciones facilitan el trabajo realizado por los microprocesadores.

transistor
El diodo semiconductor está constituido fundamentalmente por una unión P-N, añadiéndole un terminal de conexión a cada uno de los contactos metálicos de sus extremos y una cápsula que aloja todo el conjunto, dejando al exterior los terminales que corresponden al ánodo (zona P) y al cátodo (Zona N)
El diodo deja circular corriente a través suyo cuando se conecta el polo positivo de la batería al ánodo, y el negativo al cátodo, y se opone al paso de la misma si se realiza la conexión opuesta. Esta interesante propiedad puede utilizarse para realizar la conversión de corriente alterna en continua, a este procedimiento se le denomina rectificación.
Existen diferentes tipos de diodos entre ellos:
Diodos de señal
Diodos de conmutación
Diodos de alta frecuencia
Diodos zener
Diodos especiales

Diodo
El transistor FET es un dispositivo semiconductor que controla un flujo decorriente por un canal semiconductor, aplicando un campo eléctricoperpendicular a la trayectoria de la corriente.
El transistor FET está compuesto de una parte de silicio tipo N, a la cual se le adicionan dos regiones con impurezas tipo P llamadas compuerta (gate) y que están unidas entre si. Ver la figura
Los terminales de este tipo de transistor se llaman Drenador (drain), Fuente (source) y el tercer terminal es la compuerta (gate) que ya se conoce.
Este tipo de transistor se polariza de manera diferente altransistor bipolar. El terminal de drenaje se polariza positivamente con respecto al terminal de fuente (Vdd) y lacompuerta o gate se polariza negativamente con respecto a la fuente (-Vgg).
A mayor voltaje -Vgg, más angosto es el canal y más difícil para la corriente pasar del terminal drenador (drain) alterminal fuente o source. La tensión -Vgg para la que el canal queda cerrado se llama "punch-off" y es diferente para cada FET

FET
Los semiconductores como el silicio(si), el germanio (ge), y el selenio (se),constituyen elementos que poseen características intermedias entre los cuerpo conductores y los aislantes, bajo determinadas condiciones esos mismos elementos permiten la circulación de la corriente eléctrica en un sentido, pero no en el sentido contrario. Esa propiedad se utiliza para rectificar corriente alterna, detectar señales de radio, amplificar señales de corriente eléctrica, funcionar como interruptores o compuertas utilizadas en electrónica digital, etc.

MOSFET
Los transistores MOSFET o Metal-Oxido-Semiconductor (MOS) son dispositivos de efecto de campo que utilizan uncampo eléctrico para crear una canal de conducción.
Son dispositivos más importantes que los JFET ya que la mayor parte de los circuitos integrados digitales se construyen con la tecnología MOS.
Existen dos tipos de transistores MOS: MOSFET de canal N o NMOS y MOSFET de canal P o PMOS. A su vez, estos transistores pueden ser de acumulación (enhancement) o deplexion (deplexion); en la actualidad los segundos están prácticamente en desuso y aquí únicamente serán descritos los MOS de acumulación también conocidos como deenriquecimiento.

Propiedades eléctricas de los semiconductores
La conductividad eléctrica, que es la capacidad de conducir la corriente eléctrica cuando se aplica una diferencia de potencial, es una de las propiedades físicas más importantes.
Ciertos metales, como el cobre, la plata y el aluminio son excelentes conductores. Por otro lado, ciertos aislantes como el diamante o el vidrio son muy malos conductores.
A temperaturas muy bajas, los semiconductores puros se comportan como aislante. Sometidos a altas temperaturas, mezclados con impurezas(dopado) o en presencia de luz, la conductividad de los semiconductores puede aumentar de forma espectacular y llegar a alcanzar niveles cercanos a los de los metales.

Semiconductor intrínseco indica un material semiconductor extremadamente puro que contiene una cantidad insignificante de átomos de impurezas.

Semiconductor extrínseco, se le han añadido cantidades controladas de átomos impuros (Dopado) para favorecer la aparición de electrones (tipo n –átomos de valencia 5: As, P o Sb) o de huecos (tipo p - átomos de valencia 3: Al, B, Ga o In).

Los portadores mayoritarios de carga en un semiconductor tipo N son electrones libres

Los portadores mayoritarios de carga en un semiconductor tipo P son huecos. Actúan como portadores de carga positiva.

Al unir un semiconductor tipo P con uno de tipo N aparece una zona de carga espacial denominada zona de transición, que actúa como una barrera para el paso de los portadores mayoritarios de cada zona

Propiedades ópticas de los semiconductores
Las mediciones ópticas usan la porción que comprende desde el ultravioleta hasta el infrarrojo cercano basadas en los parámetros de longitud de onda (λ) y energía (E o ћω).

En un semiconductor, los electrones se encuentran en dos bandas de energía, llamadas bandas de valencia y conducción, de la interacción de partículas de carga entre estas dos bandas puede resultar la emisión o absorción de radiación electromagnética.

Cuando un cuerpo neutro es electrizado, sus cargas eléctricas, bajo la acción de las fuerzas correspondientes, se redistribuyen hasta alcanzar una situación de equilibrio. Algunos cuerpos, sin embargo, ponen muchas dificultades a este movimiento de las cargas eléctricas por su interior y sólo permanece cargado el lugar en donde se depositó la carga neta. Otros, por el contrario, facilitan tal redistribución de modo que la electricidad afecta finalmente a todo el cuerpo. Los primeros se denominan aislantes y los segundos conductores.
Cuando un semiconductor es iluminado, los electrones son absorbidos para crear un par electrón-hueco. Un par electrón-hueco se genera cuando un electrón pasa de un estado en reposo a un estado de excitación, la interacción entre un fotón y un electrón permite la generación de tres procesos en un semiconductor, los cuales son la absorción, la emisión espontánea y la emisión estimulada de un fotón.

a) Absorción: Al hacer incidir luz sobre un semiconductor, si la energía incidente es mayor a la energía de la banda prohibida (Eg) del material, el fotón es absorbido y su energía es transferida a un electrón de la banda de valencia, excitándolo hacia la banda de conducción y generando un par electrón hueco.

Esta diferencia de comportamiento de las sustancias respecto del desplazamiento de las cargas en su interior depende de su naturaleza íntima. Así, los átomos de las sustancias conductoras poseen electrones externos muy débilmente ligados al núcleo en un estado de semilibertad que les otorga una gran movilidad, tal es el caso de los metales. En las sustancias aislantes, sin embargo, los núcleos atómicos retienen con fuerza todos sus electrones, lo que hace que su movilidad sea escasa.
b) Emisión espontánea: Una vez ocurrida la absorción el estado excitado del átomo es inestable. Después de un corto tiempo y sin ningún estimulo externo, ocurre una transición espontánea de la banda de conducción a la banda de valencia
c) Emisión estimulada: La emisión estimulada es el proceso inverso a la absorción, cuando un fotón con energía E afecta a un electrón mientras está en su estado excitado (banda de conducción), el átomo puede ser estimulado a hacer una transición a la banda de valencia.

Una propiedad común a prácticamente todos los materiales, es la de permitir, en algún grado, la conducción de la corriente eléctrica, pero así como algunos materiales son buenos conductores, otros son malos conductores de dicha corriente.
Un conductor eléctrico o un material conductor es un cuerpo que puesto en contacto con un cuerpo cargado de electricidad transmite ésta a todos los puntos de su superficie. Un material conductor contiene cargas eléctricas que se mueven cuando se aplica una diferencia de potencial.
Procesos Luminiscentes: Una emisión luminiscente se presenta cuando ocurre un proceso de recombinación radiactivo, y de acuerdo a la energía que provoca el decaimiento del electrón

Fotoluminiscencia: Es la emisión de luz por un material que se encuentra bajo la excitación óptica y es generalmente donde un material absorbe luz con una longitud de onda baja y emite en una longitud de onda mayor, normalmente la luz estimulante es radiación ultravioleta.

Materiales Conductores

Fotorreflectancia (FR): Es la técnica más importante para obtener información precisa acerca de las energías de los puntos críticos y los campos eléctricos internos de semiconductores de brecha directa. Estas cantidades son claves para determinar otros parámetros del material tales como la brecha de energía, niveles de dopamiento, densidad de estados superficiales y la dirección de la curvatura de la banda, los cuales son importantes para el desempeño de cualquier dispositivo electrónico que se fabrique con el material.

La fotoconductividad es definida como el cambio de la conductividad eléctrica (σ) de un material debido a la acción de radiación incidente. El primer reporte sobre fotoconductividad ocurrió en 1873 por W. Smith, quien observa que la resistividad del Se disminuía por efecto de la radiación del sol.

Fotoconductividad
Los semiconductores son elementos que tienen una conductividad eléctrica inferior a la de un conductor metálico pero superior a la de un buen aislante. El semiconductor más utilizado es el silicio, que es el elemento más abundante en la naturaleza, después del oxígeno. Otros semiconductores son el germanio y el selenio.
Los electrones libres son portadores de carga negativa y se dirigen hacia el polo positivo de la pila.
Los huecos son portadores de carga positiva y se dirigen hacia el polo negativo de la pila.
Al conectar una pila, circula una corriente eléctrica en el circuito cerrado, siendo constante en todo
momento el número de electrones dentro del cristal de silicio.
Los huecos sólo existen en el seno del cristal semiconductor. Por el conductor exterior sólo circulan los electrones que dan lugar a la corriente eléctrica.
Semiconductores
Los semiconductores presentan un diagrama de bandas similar al de los sólidos aislantes pero con una separación entre las bandas de valencia y de conducción menor de ≈ 3.0 eV.
El comportamiento eléctrico de un semiconductor se caracteriza por los siguientes fenómenos:
Aislante hace referencia a cualquier material que impide la transmisión de la energía en cualquiera de sus formas: con masa que impide el transporte de energía.
Un aislante eléctrico es un material con escasa capacidad de conducción de la electricidad, utilizado para separar conductores eléctricos evitando un cortocircuito y para mantener alejadas del usuario determinadas partes de los sistemas eléctricos que de tocarse accidentalmente cuando se encuentran en tensión pueden producir una descarga. Los más frecuentemente utilizados son los materiales plásticos y las cerámicas. Las piezas empleadas en torres de alta tensión empleadas para sostener o sujetar los cables eléctricos sin que éstos entren en contacto con la estructura metálica de las torres se denominan aisladores.
Aislante
La teoría de bandas está basada en la mecánica cuántica y procede de la teoría delos orbitales moleculares (TOM). En esta teoría, se considera el enlace metálico como un caso extremo del enlace covalente, en el que los electrones de valencia son compartidos de forma conjunta y simultánea por todos los cationes. Desaparecen los orbitales atómicos y se forman orbitales moleculares con energías muy parecidas, tan próximas entre ellas que todos en conjunto ocupan lo que se franja de denomina una“banda de energía”.
La banda ocupada por los orbitales moleculares con los electrones de valencia se llama banda de valencia, mientras que la banda formada por los orbitales moleculares vacíos se llama banda de conducción. A veces, ambas bandas se solapan energética mente hablando.
Definiremos la banda de valencia de un sólido como la banda de energía más externa ocupada por algún electrón cuando el sólido se encuentra en su estado fundamental. En cambio, definiremos la banda de conducción como la banda de menor energía en la que existen algunos niveles vacíos cuando el sólido se encuentra en su estado fundamental.


¿Cuál es la diferencia existente entre conductor, semiconductor y aislante?

Los conductores son todos aquellos que poseen menos de 4 electrones en la capa de valencia
El semiconductor es aquel que posee 4 electrones en la capa de valencia
El aislante es el que posee más de 4 electrones en la capa de valencia.
La conducción de corriente eléctrica se explica a partir de la teoría de bandas, afirmando que es el paso de electrones de la banda de valencia a la banda de conducción y el posterior movimiento de los electrones bajo la acción de un campo eléctrico, el que genera dicha corriente. En la banda de conducción los electrones generan la corriente eléctrica, al desplazarse de un punto a otro del material.
Las bandas de energía están separadas entre sí por zonas prohibidas, que no pueden ser ocupadas por los electrones y cuyo tamaño depende de la naturaleza de los átomos que constituyen el sólido.
Tanto en un caso como en el otro, los electrones de la banda de valencia pueden acceder fácilmente a la banda de conducción y originar una corriente eléctrica, al aplicar un campo eléctrico externo. Un aumento de la temperatura provocará un mayor número de choques con los restos atómicos, lo que se traducirá en un ligero aumento del número de electrones que saltan de una a otra banda.
En cambio, en los materiales aislantes, la banda de valencia está completamente llena y entre ésta y la banda de conducción existe un salto de energía tan grande que los electrones no pueden acceder a dicha banda, donde originarían la corriente eléctrica.
Resistividad medida en
(Ω(Ohms) · mm2 / m ) a 20º C
La conductividad es la inversa de la resistividad y su unidad es el S/m (siemens por metro).
La conversión de Ω·m a Ω·mm²/m resulta de multiplicar la unidad inicial por 1x10-6
Padilla Herrera Julio César
Vargas Pérez Jesús Antelmo
Lic. en Ingeniería en Telecomunicaciones
AREA ACADÉMICA DE COMPUTACIÓN Y ELECTRÓNICA
Instituto de Ciencias Básicas e Ingeniería
SEMESTRE: 1ª GRUPO “2”
Dra. Karina Aleman Ayala
Fisicoquímica De Semiconductores
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