OBRES

OBRES

Divulgació científica
Estadístiques

Gran enciclopèdia catalana

semiconductor

substantiu masculím
Electrònica i informàtica    Física    Química

Sumari de l’article

Model de bandes d’energia dels semiconductors
© Fototeca.cat
física fís, electrònica electròn i química orgànica quím org
Substància intermediària entre els bons conductors i els aïllants.

L’estudi teòric i les aplicacions dels semiconductors que han estat duts a terme en aquests darrers decennis han donat lloc a una nova branca de l’electrònica, anomenada de l'estat sòlid en contraposició a la del buit i la dels gasos o vapors. Les propietats elèctriques dels semiconductors són completament diferents de les dels altres cossos. Aquestes propietats són degudes bàsicament al fet que els semiconductors tenen una banda de conducció separada de la banda plena per una banda prohibida molt estreta, de l’ordre d’1 eV. Efectivament, entre els models que han estat proposats per a donar compte de totes les propietats de la conductivitat elèctrica dels semiconductors i en general dels sòlids, és el de la teoria de les bandes d’energia el que ha estat unànimement acceptat. En aquest model hom suposa que els valors de les energies que poden prendre els electrons dins els sòlids s’agrupen segons uns intervals estrets, dits bandes d’energia ( banda d’energia), els quals estan separats per uns altres intervals formats per uns conjunts de valors de l’energia que són prohibits. Segons els principis de la mecànica quàntica, els electrons dels sòlids aniran ocupant els nivells més baixos d’aquestes bandes d’energia, però sense que hi pugui haver més de dos electrons a cada nivell, d’acord amb el principi d’exclusió de Pauli. D’aquesta manera els electrons dins un sòlid es disposen d’acord amb aquestes bandes d’energia, i omplen sempre les que corresponen als valors més baixos de l’energia. Això vol dir que totes les bandes d’energia d’un sòlid són sempre plenes fins la més elevada, la qual pot ésser també plena o mig plena, i a partir d’aquesta no hi ha cap més banda ocupada pels electrons. Quan una banda d’energia és plena, o sia, quan hi ha dos electrons per cadascun dels seus valors possibles, el conjunt no pot donar origen a cap corrent elèctric. Els electrons d’una banda d’energia es mouen amb unes velocitats dirigides a l’atzar. El mateix succeeix en una banda d’energia mig plena, sempre que no hi hagi cap camp elèctric exterior. Però si hom hi aplica un camp elèctric, els electrons seran accelerats en la direcció del camp, i això farà que, en augmentar la seva energia, alguns d’ells passin a ocupar els estats superiors de la banda d’energia, i alhora restaran buits els nivells inferiors. Com a conseqüència d’aquest fet, la velocitat de tots els electrons adquirirà una certa component en sentit contrari al camp aplicat, que se sobreposarà a la velocitat dirigida a l’atzar de la situació primitiva, i això farà que el conjunt d’electrons tingui una velocitat resultant no nul·la. Aquest desplaçament global dels electrons equival a dir que apareix un corrent elèctric. Tot això només és aplicable al cas d’una banda d’energia mig plena, perquè els electrons d’una banda d’energia plena no poden ésser accelerats i, per tant, no poden respondre a les sol·licitacions del camp elèctric. És a dir que els cossos conductors són aquells que tenen la banda d’energia superior a mig omplir, mentre que tots els altres són aïllants. Però cal distingir entre aquests últims els semiconductors, que són aquells que a baixa temperatura tenen l’última banda ocupada totalment plena, però que resta separada de la banda contigua superior buida, per un interval d’energia prohibida molt estret; d’aquesta manera, en augmentar la temperatura, una part dels electrons de la banda plena reben prou energia per a passar a la contigua, la qual d’aquesta manera resta mig plena i pot permetre la conducció elèctrica. Això explica per què la conductivitat dels semiconductors depèn tan fortament de la temperatura. Els semiconductors són sempre elements amb quatre electrons de valència, units per enllaços covalents. Els més utilitzats són el germani i el silici. Rares vegades són emprats completament purs. Aquests, anomenats intrínsecs, són generalment tractats a fi d’introduir-hi impureses (dopatge) i convertir-los en extrínsecs. Si hom hi introdueix àtoms pentavalents, dits donadors, el semiconductor és anomenat de tipus n i posseeix més electrons lliures, la qual cosa facilita la conducció. Si hom ho fa amb àtoms trivalents, dits acceptors, aleshores es tracta d’un semiconductor de tipus p; la manca d’electrons lliures crea nous forats mòbils que també contribueixen a la conducció. En els primers, doncs, els electrons constitueixen els portadors majoritaris, i els forats (existents en petita proporció), els minoritaris; en els segons, inversament, els forats són els portadors majoritaris, mentre que els electrons (en nombre reduït) són els minoritaris. Totes les aplicacions dels semiconductors es basen en la combinació adequada d’aquests dos tipus de semiconductors p i n.

L'aplicació dels semiconductors en l'electrònica

Estructura electrònica d'un semiconductor: 1, pur; 2, del tipus n; 3, del tipus p
De tots els semiconductors, el més emprat en electrònica és el silici, que pertany al grup IV de la taula periòdica. Aquest material és la base de tot el desenvolupament enregistrat en electrònica i ha permès l’obtenció de circuits integrats analògics i digitals, mitjançant tecnologies bipolars (transistor) o MOS. El silici sense dopar, és a dir intrínsec, presenta una resistivitat a temperatura ambient (27°C) lleugerament alta (aproximadament 230 Kς·cm). Per a l’obtenció de dispositius electrònics, hom dopa el silici amb elements del grup III de la taula periòdica (bor, alumini, gal·li, indi) per a convertir-lo en un de tipus p i amb elements del grup V de la taula periòdica (fòsfor, arsènic, antimoni) per a convertir-lo en un de tipus n. Amb silici es realitzen dispositius com díodes, transistors bipolars, transistors MOS, tiristors, amplificadors operacionals, famílies lògiques, etc. El fet que el silici presenti una banda prohibida de tipus indirecte, és a dir, que el valor mínim absolut de l’energia de la banda de conducció i el valor màxim absolut de l’energia de la banda de valència no corresponen al mateix valor de vector d’ona (en cas de correspondre seria de tipus directe), afavoreix les transicions no radiatives (emissió d’un fonó) enfront de les radiatives (emissió d’un fotó), circumstància que n'ha limitat l’ús a l'optoelectrònica. El germani, que a causa de la seva baixa resistivitat (45ς·cm a 27°C) fou utilitzat primer que el silici per a realitzar el primer transistor de puntes, ha estat abandonat com a semiconductor d’ús general a causa dels forts inconvenients tecnològics que presenta i també per les millors prestacions del silici. Per a aplicacions específiques, com ara l’optoelectrònica, han assolit una gran importància diversos semiconductors composts, formats per elements dels grups III i V de la taula periòdica, entre els quals cal esmentar l’arsenur de gal·li (GaAs), el fosfur d’indi (InP) i el fosfur de gal·li (GaP). Els dos primers semiconductors presenten un gap directe afavoridor de les transicions radiatives, mentre que el tercer es pot dopar amb nitrogen per afavorir-les. Tots tres s’utilitzen com a substrat per a l’obtenció de semiconductors, composts ternaris i quaternaris de composició molar variable, com l’arsenur de gal·li i alumini (GaAlAs), l’arsenur de gal·li i indi (GaInAs) i el fosfur-arsenur de gal·li i indi (GaInAsP). La variació de la composició molar modifica l’ample del grup i permet d’ajustar la longitud d’ona d’emissió o d’absorció. Així s’obtenen fotodetectors, cèl·lules solars, díodes electroluminiscents, làsers semiconductors, etc, amb longituds d’ona que van des de l’infraroig proper fins a l’ultraviolat. A més, els composts III-V presenten una mobilitat dels portadors més elevada que en el cas del silici, raó per la qual també són utilitzats en aplicacions puntuals en el camp de les microones i de les comunicacions a freqüències molt altes (gigahertzs). Tanmateix, problemes tecnològics fan que el seu nivell d’integració estigui lluny de l’assolit pel silici. Altres semiconductors emprats són els composts per elements dels grups II i VI de la taula periòdica, com el sulfur de cadmi (CdS), el sulfur de zinc (ZnS), el sulfur de plom (PbS), el selenur de cadmi (CdSe), el selenur de plom (PbSe), el tel·luri de plom (PbTe), etc. A més, hi ha altres substàncies amb caràcter semiconductor, com ara el carbur de silici (SiC), certs òxids metàl·lics i diverses substàncies orgàniques.

Els semiconductors orgànics

En els darrers anys, la preparació i l’estudi de semiconductors orgànics han estat objecte d’un gran interès pràctic i teòric. En principi, un compost orgànic ha de tenir en la seva estructura, per tal d’ésser semiconductor, dobles enllaços alternats. La semiconducció en composts orgànics va sovint associada amb fotoconducció i no pot ésser descrita pel model de bandes, habitual en els semiconductors inorgànics, i implica, com a pas limitant, la transferència d’electrons d’una molècula o cadena polimèrica a una altra. Els semiconductors orgànics poden ésser classificats en materials ben definits (cristalls moleculars, complexos cristal·lins, polímers isotàctics i sindiotàctics) i materials desordenats (polímers atàctics i materials pirolítics). Els més ben estudiats són els cristalls moleculars d’antracè, diversos complexos de transferència de càrrega i diverses sals de catió orgànic del α,α,α’,α'-tetracianoqu inodimetà, els quals mostren resistivitats comparables i àdhuc superiors a les dels semiconductors inorgànics. Fins al moment present, els semiconductors orgànics no han trobat encara aplicació industrial àmplia, però és un camp amb grans possibilitats futures, atesa la diversitat d’estructures orgàniques susceptibles de presentar semiconducció.

Col·laboració: 
JMVH / LlMF

Llegir més...