Estructura de banda de energía
Los semiconductores son materiales cristalinos cuyos niveles atómicos de la capa exterior presentan una estructura de banda de energía, que consiste en una banda de valencia, una brecha de energía «prohibida» y una banda de conducción.
Las bandas de energía son en realidad regiones de muchos niveles discretos que están tan estrechamente espaciadas que pueden considerarse como un continuo, mientras que la brecha de energía» prohibida » es una región en la que no hay niveles de energía disponibles en absoluto. Dado que el principio de Pauli prohíbe más de un electrón en el mismo estado, la degeneración en los niveles de energía de la capa atómica exterior se rompe para formar muchos niveles discretos solo ligeramente separados entre sí. Como dos electrones de espín opuesto pueden residir en el mismo nivel, hay tantos niveles como pares de electrones en el cristal. Sin embargo, esta ruptura degenerativa no afecta a los niveles atómicos internos, que están más estrechamente unidos.
La banda de energía más alta es la banda de conducción. Los electrones en esta región están separados de sus átomos padres y son libres de vagar por todo el cristal. Los electrones en los niveles de banda de valencia, sin embargo, están más unidos y permanecen asociados a sus respectivos átomos de red.
El ancho de la brecha y las bandas está determinado por el espaciado de celosía entre los átomos. Por lo tanto, estos parámetros dependen de la temperatura y la presión. En los conductores, la brecha de energía es inexistente, mientras que en los aisladores la brecha es grande.
A temperaturas normales, los electrones en un aislante están normalmente todos en la banda de valencia, siendo la energía térmica insuficiente para excitar electrones a través de este espacio. Cuando se aplica un campo eléctrico externo, por lo tanto, no hay movimiento de electrones a través del cristal y, por lo tanto, no hay corriente. Para un conductor, por otro lado, la ausencia de un espacio hace que sea muy fácil para los electrones excitados térmicamente saltar a la banda de conducción donde son libres de moverse alrededor del cristal. Una corriente fluirá cuando se aplique un campo eléctrico.
En un semiconductor, la brecha de energía es de tamaño intermedio, de modo que solo unos pocos electrones son excitados en la banda de conducción por la energía térmica. Por lo tanto, cuando se aplica un campo eléctrico, se observa una pequeña corriente. Sin embargo, si el semiconductor se enfría, casi todos los electrones caerán en la banda de valencia y la conductividad del semiconductor disminuirá.
Portadores de carga en semiconductores
A 0 K, en el estado de energía más baja del semiconductor, los electrones en la banda de valencia participan en la unión covalente entre los átomos de red.
A temperaturas normales, sin embargo, la acción de la energía térmica puede excitar un electrón de valencia en la banda de conducción dejando un agujero en su posición original. En este estado, es fácil para un electrón de valencia vecino saltar de su enlace para llenar el agujero. Esto ahora deja un agujero en la posición vecina. Si ahora el siguiente electrón vecino repite la secuencia y así sucesivamente, el agujero parece moverse a través del cristal. Dado que el agujero es positivo en relación con el mar de electrones negativos en la banda de valencia, el agujero actúa como un portador de carga positiva y su movimiento a través del cristal también constituye una corriente eléctrica.
En un semiconductor, la corriente eléctrica proviene de dos fuentes: el movimiento de electrones libres en la banda de conducción y el movimiento de agujeros en la banda de valencia. Esto debe contrastarse con un metal donde la corriente es transportada solo por electrones.
La energía necesaria para crear carga transporta en semiconductores
La energía W necesaria para crear un par e-h en un semiconductor mediante una partícula de masa cargada que atraviesa el medio depende de la energía de la brecha de banda, por ejemplo, del material y, por lo tanto, aunque solo ligeramente, de la temperatura.
Las mediciones de esta cantidad muestran una dependencia casi lineal de la energía de la brecha de banda, y el ajuste lineal a los datos obtenidos para diferentes materiales da
La energía para la generación de portadores de carga siempre es mayor que la energía de la brecha de banda debido a la posible excitación adicional de los estados fonón y plasmón. La excitación del fonón transfiere energía a la red, y la energía transferida aparece finalmente como calor en el detector.
El plasmón es el cuántico de las oscilaciones de densidad electrónica de valencia con una energía media de 17 eV para el silicio. Los electrones de valencia son los de la capa M y solo están débilmente unidos a los átomos. Por lo tanto, pueden considerarse como un gas de densidad densa y casi homogénea, es decir, plasma de portadores de carga negativa en el volumen de material semiconductor.
La energía media W para crear un par e-h se ha calculado y medido en experimentos que incluyen partículas cargadas de alta energía y fotones de rayos X. La energía media W necesaria para crear un par e-h en silicio es W ≈3,68 eV.