Semiconductores ( ) Masa Efectiva. Masa Efectiva. Masa Efectiva. Hueco. Masa Efectiva. v g dk h dk. m * Cualquier electrón está sujeto a fuerzas

Semiconductores Masa Efectiva ƒ Cualquier electrón está sujeto a fuerzas Ftotal = Fext + Fint = ma ƒ Si expresamos la ecuación sólo en función de la

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Semiconductores

Masa Efectiva ƒ Cualquier electrón está sujeto a fuerzas

Ftotal = Fext + Fint = ma ƒ Si expresamos la ecuación sólo en función de las fuerzas externas

Fext = m* a

ƒ El electrón se comporta como si su masa cambiara. Esta es la masa efectiva.

Masa Efectiva ƒ Consideremos la velocidad de grupo

dω 1 dε vg = = dk h dk

ƒ Tomemos su derivada dv g 1 d 2ε 1 d 2ε dk = = dt h dtdk h dk 2 dt

Masa Efectiva ƒ La masa efectiva es entonces

1 1 d ε = m* h 2 dk 2 2

Masa Efectiva ƒ El momento lineal del electrón se puede expresar como hk así que

d (hk ) = −eE dt

ƒ Entonces dv g 1 d 2ε dk 1 d 2ε d (hk ) 1 d 2ε = = = 2 2 (− eE ) dt h dk 2 dt h 2 dk 2 dt h dk

Hueco ƒ La densidad de corriente está dada por e J =− ∑ vi V i (ocupado ) ƒ Si expresamos la ecuación en función de los vacíos e e J = − ∑ vi + ∑ vi V i (total ) V i ( vacíos ) ƒ Pero esta suma es cero. e J =+ ∑ vi V i (vacíos )

1

Hueco

Distribución de electrones

ƒ Así la corriente se puede interpretar como una corriente de huecos de carga positiva J =+

e V

∑v

i

ƒ La distribución de electrones en la banda de conducción está dado por la densidad de estados en la banda de conducción por la probabilidad de que ese estado está ocupado:

i (vacíos )

n( E ) = g c ( E ) f ( E )

Concentración de Huecos ƒ La distribución de huecos en la banda de valencia está dado por la densidad de estados de la banda de valencia por la probabilidad de que ese estado no está ocupado por un electrón:

p ( E ) = g v ( E )[1 − f ( E )]

A Temperatura Cero ƒ Todos los estados de la banda de valencia van a estar ocupados y ningún estado estará ocupado en la banda de valencia. ƒ Por lo mismo ningún hueco estará presente en la banda de valencia.

A Temperatura Mayor que Cero ƒ Electrones térmicamente excitados pasan a la banda de conducción dejando en la banda de valencia una concentración de huecos

2

Concentración de Electrones ƒ El número de electrones por unidad de volumen está dado por

ƒ Aplicando la distribución de estados. ∞

no =

no = ∫ g c ( E ) f ( E )dE C

ƒ Para E > Ec entonces (Ec − E F ) >> kT y la distribución de Fermi se aproxima a la distribución de Maxwell-Boltzmann.

f (E) =

Concentración de Electrones

(E − E F ) 1 ≈ exp− ( E − EF ) kT 1 + exp kT

Ec



∫α

exp(− α )dα =

1/ 2

0

ƒ Entonces

no = N c exp

(2m kT )

po =



−∞

* 3/ 2 p 2 3

2π h

Concentración de Huecos

V

 m* kT  N c = 2 n 2   2πh 

po =

(

− 2m kT

* p 2 3

2π h

α′ =

)

3/ 2

Ev − E kT

− ( E F − Ev ) 1/ 2 exp ∫∞ (α ′) exp(− α ′)dα ′ kT 0

− ( Ec − E F ) 1 / 2 ∫ α exp(− α )dα kT Ec ∞

exp

ƒ Para E < Ev entonces

− (E F − E ) dE Ev − E exp kT

3/ 2

E − Ec kT

po = ∫ g v ( E )[1 − f ( E )]dE

− ( Ec − E F ) kT

ƒ Haciendo el cambio de variable

− (E − E F ) dE kT

ƒ El número de huecos por unidad de volumen está dado por

ƒ Aplicando la distribución de estados.

(2m )

3/ 2

* n

2π 2 h 3

1 − f (E) =

(EF − Ev ) >> kT

1

(E − E ) ≈ exp 1 + exp F

así que

− (E F − E ) kT

kT

Concentración de Huecos Ev

E − Ec exp

2π h

α= no =

1 π 2

donde

* 3/ 2 n 2 3

ƒ Haciendo el cambio de variable

Concentración de Electrones ƒ Pero...



(2m )

Concentración de Huecos ƒ Pero...



∫α′

1/ 2

exp(− α ′)dα ′ =

0

ƒ Entonces

po = N v exp

1 π 2

− ( E F − Ev ) kT  m*p kT   donde N v = 2 2   2πh 

3/ 2

3

np Constante

Semiconductores Intrínsicos

ƒ Si multiplicamos no y po tenemos

− ( Ec − E F ) − ( E F − Ev ) no po = N c exp N v exp kT kT − Eg − ( Ec − E v ) = N c N p exp = N c N p exp kT kT 3 − Eg  kT  * * 3 / 2 = 4 exp mn m p 2  2 π h kT  

(

)

ƒ Sin impurezas, la concentración de electrones es igual a la concentración de huecos 2

ni pi = ni = pi

2

ƒ Así que…

 kT  ni = pi = 2 2   2πh 

3/ 2

(m m ) * n

* 3/ 4 p

exp

− Eg 2kT

ƒ No depende de la energía de Fermi

Energía de Fermi para Semiconductores Intrínsicos

Semiconductores Extrínsecos: Donadores

ƒ Este es un semiconductor tipo n.

=

=

=

=

=

= =

=

=

=

= =

= =

= =

=

=

= = =

=

=

= = = =

P = Si =

= Si = Si = Si = Si = e= Si = Si = Si = Si = =

=

=

= = = =

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

= Si = Si = Si = Si =

=

=

= Si = Si = Si = Si = =

= = =

= Si = Si = Si = Si =

= Si = Si = B = Si =

=

=

= = =

=

= Si = Si = Si = Si =

= Si = Si = Si = Si =

=

=

=

= =

= Si = Si = Si = Si =

=

Ev

=

= Si = Si = Si = Si =

=

Banda de Valencia

= Si = Si =

Semiconductores Extrínsecos : Aceptores

=

Ec Ed

= Si = Si = Si = Si =

ƒ Existe un electrón adicional incrementando n.

=

Banda de Conducción

=

= = =

= Si = Si = Si = Si =

=

ƒ La energía para elevar este electrón donado es menor que la energía para elevar cualquier electrón que esté en un enlace covalente.

= Si = Si = Si = Si =

=

Semiconductores Extrínsecos : Donadores

= Si = Si = Si = Si =

=

ƒ Nota que si las masas efectivas son iguales, el nivel de energía de Fermi está a la mitad de la región prohibida.

= Si = Si = Si = Si =

=

− (Ec − E F ) − (E F − Ev ) = N v exp kT kT * m  1 3 E F = (Ec + Ev ) + kt ln *p  m  2 4  n

N c exp

=

ni = pi

ƒ Existe un hueco adicional incrementando p.

4

Semiconductores Extrínsecos : Aceptores ƒ La energía para ocupar esta posición es menor que la energía para elevar cualquier electrón que esté en un enlace covalente. Pero el electrón no queda en la banda de conducción. Banda de Conducción

Banda de Valencia

Ec Ea Ev

Distribución de Electrones y Huecos en Semiconductores Extrínsecos ƒ Tenemos que la concentración de electrones en la banda de conducción y la concentración de huecos en la banda de valencia están dadas por:

no = N c exp

− ( Ec − E F ) kT

po = N v exp

− ( E F − Ev ) kT

ƒ Este es un semiconductor tipo p.

Distribución de Electrones y Huecos en Semiconductores Extrínsecos ƒ Sumemos y restemos el nivel de la energía de Fermi intrínseca:

− (Ec − E Fi ) + (E F − E Fi ) kT (EF − EFi ) − (Ec − E Fi )   =  N c exp  exp kT kT   (E − EFi ) = ni exp F kT

no = N c exp

Distribución de Electrones y Huecos en Semiconductores Extrínsecos ƒ De la misma manera obtenemos la concentración de huecos:

po = ni exp

− (E F − E Fi ) kT

ƒ De tal manera que se mantiene que

no po = ni

2

Distribución de Electrones y Huecos en Semiconductores Extrínsecos ƒ Si E F > E Fi , entonces no > ni ƒ Si E F < E Fi , entonces po > ni

5

Concentración Electrónica en Función de la Concentración de Impurezas ƒ Por medio de la neutralidad del material y si asumimos ionización completa

no + N a = po + N d

ƒ Además,

no po = ni

ƒ Entonces

Concentración Electrónica en Función de la Concentración de Impurezas ƒ Resolviendo 2

no =

Nd − Na  N − Na  2 +  d  + ni 2 2  

2

n no + N a = i + N d no

ƒ De la misma manera, 2

po =

Na − Nd  N − Nd  2 +  a  + ni 2 2  

Conducción ƒ La conducción estará dada por electrones y por huecos:

J n = − nevdnc = σ n E = neµ n E J p = pevdpv = σ p E = peµ p E

6

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