Física de semiconductores
Los semiconductores son materiales cuya modesta banda prohibida permite que su conductividad se ajuste mediante la temperatura, el dopaje y los campos aplicados, lo que los convierte en la base física de la electrónica moderna.
Definition
La física de semiconductores es la aplicación de la teoría de bandas electrónicas a materiales con una banda prohibida lo suficientemente pequeña como para que la excitación térmica y el dopaje pueblen la banda de conducción y la banda de valencia con electrones y huecos móviles, cuyas concentraciones y movimiento se pueden controlar para construir dispositivos electrónicos.
Scope
Esta área abarca la física de los sólidos semiconductores: comportamiento intrínseco y extrínseco (dopado), estadísticas de portadores de electrones y huecos, la posición del nivel de Fermi, la formación de uniones p-n y la curvatura de banda en las interfaces, y las propiedades de absorción óptica y transporte que rigen los dispositivos. Aplica la teoría de bandas a materiales con una pequeña brecha y conecta la estructura electrónica microscópica con el funcionamiento de diodos, transistores y dispositivos optoelectrónicos, dejando los detalles de ingeniería de dispositivos a campos aplicados.
Sub-topics
Core questions
- ¿Cómo la pequeña banda prohibida de un semiconductor hace que su concentración de portadores sea sensible a la temperatura y al dopaje?
- ¿Cuál es el papel de los huecos y cómo las impurezas donadoras y aceptoras crean material de tipo n y de tipo p?
- ¿Cómo rectifica una unión p-n la corriente a través de la curvatura de banda y un potencial incorporado?
- ¿Qué determina la absorción óptica y la movilidad de los portadores que rigen los dispositivos semiconductores?
Key concepts
- Banda prohibida, banda de conducción y banda de valencia
- Electrones y huecos como portadores de carga
- Dopaje donador y aceptor (tipo n y tipo p)
- Nivel de Fermi y estadísticas de portadores
- Unión p-n, potencial incorporado y rectificación
Key theories
- Estadísticas de portadores y la ley de acción de masas
- Las concentraciones de equilibrio de electrones y huecos se derivan de la densidad de estados y las estadísticas de Fermi-Dirac; su producto se fija a una temperatura dada, por lo que el dopaje que aumenta un portador suprime al otro.
- Rectificación de unión p-n
- La unión de material de tipo p y de tipo n alinea el nivel de Fermi, doblando las bandas y creando una región de agotamiento con un campo incorporado que permite que la corriente fluya fácilmente en una sola dirección, la base del diodo.
Clinical relevance
La física de semiconductores es el fundamento de toda la industria de la electrónica y la tecnología de la información: diodos, transistores, circuitos integrados, células solares, diodos emisores de luz, láseres y fotodetectores se basan en la física de portadores y uniones desarrollada aquí.
History
La teoría cuántica de bandas explicó el comportamiento semiconductor en la década de 1930, y la invención de los transistores de contacto puntual y de unión por Bardeen, Brattain y Shockley en Bell Labs en 1947-1948 convirtió la física de semiconductores en la base de la electrónica moderna y la subsiguiente revolución de la microelectrónica.
Key figures
- William Shockley
- John Bardeen
- Walter Brattain
Related topics
Seminal works
- sze2007
- ashcroft1976
Frequently asked questions
- ¿Qué es un hueco?
- Un hueco es la ausencia de un electrón en una banda de valencia que de otro modo estaría llena; se comporta como un portador móvil con carga positiva, y rastrear los huecos es mucho más simple que rastrear los muchos electrones que se mueven para llenarlos.
- ¿Por qué la adición de pequeñas cantidades de impurezas cambia la conductividad de forma tan drástica?
- Los átomos donadores o aceptores introducen niveles de energía justo dentro de la brecha que se ionizan fácilmente a temperatura ambiente, por lo que incluso el dopaje de partes por millón puede cambiar la concentración de portadores libres en muchos órdenes de magnitud.