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En el video anterior, explicamos que los semiconductores no conducen muy bien la electricidad.

Una manera de manipular la conductividad eléctrica en los semiconductores es manipular la concentración de portadores de carga eléctrica. Podemos hacer esto mediante el uso de dopaje. En este video, primero introducimos lo que es el dopaje. A continuación, vamos a discutir cómo cambia el dopaje importantes propiedades de los materiales en los semiconductores. La concentración de portadores de carga en un semiconductor puede ser manipulado por el dopaje el material. medios que agregamos las impurezas de manera controlada dopaje

forma al material. Tomemos el ejemplo de silicio. El silicio tiene cuatro electrones de valencia. En una celosía de silicio, cada átomo está unido, covalentemente, a otros cuatro átomos de silicio. Podemos tomar esa estructura cristalina del silicio y el sustituto una pequeña cantidad de átomos de silicio con diferentes átomos. Esto se hace comúnmente con átomos de dos elementos diferentes: boro y fósforo. átomo de boro tiene tres electrones de valencia, mientras átomo de fósforo tiene cinco electrones de valencia.

Cuando se usa boro como dopante, el material resultante se denomina de tipo p. Cuando se usa el fósforo, que llamamos que el material de tipo n. Entonces, ¿qué sucede cuando sustituimos átomos de silicio con estas impurezas? Aquí se puede ver una representación esquemática de la unión entre átomos de silicio y boro. átomo de boro está en el medio de este diagrama unido a cuatro átomos de silicio. Se puede ver que tres de los átomos de silicio tienen enlaces covalentes con el átomo de boro.

Sin embargo, uno de los átomos de silicio tiene un enlace de mirada divertido con el átomo de boro. Esto se debe a acciones átomo de boro único electrón de valencia. Esta unión es que falta un electrón. Este electrón faltante se denota como un agujero. En el lado derecho de esta diapositiva podemos ver la situación con un átomo de fósforo. Cuatro electrones de valencia del átomo de fósforo forma cuatro enlaces covalentes con la vecina átomos de silicio. Debido a átomo de fósforo tiene cinco electrones de valencia,

existe un electrón extra que flotan alrededor y no estar involucrado en un enlace. Lo que acabamos de explicar puede visualizarse mejor con la ayuda de la unión de dos dimensiones modelo. Vamos a empezar comparando intrínseca y dopado semiconductores a cero grados Kelvin. Podemos ver que en la red de un tipo n semiconductor, hay electrones “extra” llevadas por átomos de fósforo. Del mismo modo, la de tipo p celosía contiene agujeros adicionales llevadas por átomos de boro.

Si la temperatura aumenta, algunos enlaces de silicio-silicio pueden romperse y los electrones son liberados de las ataduras. Los electrones que faltan en los bonos representan partículas virtuales que llamamos agujeros. Por lo tanto, romper los enlaces da lugar a la formación de pares electrón-hueco. Estos electrones y los huecos son móviles y pueden moverse a través del material. El mismo proceso de los enlaces que se rompen se produce también si se dopa el material. Sin embargo, en dopado excitación térmica material de

también afecta a los átomos dopantes. En materiales de tipo n, el fósforo adicionales electrón necesita una cantidad muy pequeña de energía térmica a soltarse desde el átomo de fósforo y llegar a ser móvil. Por lo tanto, se dice que el átomo de fósforo “dona” un electrón móvil gratuito en la red cristalina de silicio. Por esta razón, el fósforo también se llama ser un “donante”. Si este electrón móvil abandona el fósforo átomo, el átomo de fósforo se carga positivamente.

Esto es porque tiene más protones que electrones ahora. En materiales de tipo p, los electrones pueden ser fácilmente aceptadas por átomos de boro para llenar los agujeros y completar el enlace covalente con un átomo de silicio. Llamamos a los dopantes boro como “aceptantes”. El átomo de boro se carga negativamente ya que ahora se ha aceptado un electrón extra. Decimos que los átomos de boro se ionizan negativamente. La ionización de los átomos de dopante puede afectar localmente la neutralidad de carga de la propia celosía.

Esto ocurre cuando los operadores móviles agotan la región con átomos dopantes ionizados fijos Como consecuencia, la retícula se convertirá localmente cargado positivamente en el de tipo n, mientras que en el de tipo p se convertirá en carga negativa. Sin embargo, la neutralidad de carga de todo el material se mantiene todavía. En los videos anteriores hicimos hincapié en la relación entre la energía y de electrones composición y estructura del material. Por otra parte, también introdujimos la energía de Fermi

nivel y demostró que su posición depende de la densidad efectiva de estados en el conducción y de valencia bandas. Por tanto, podemos esperar que, al insertar donante y aceptor de átomos, estas propiedades serán afectados. Vamos a ver cómo. Vamos a empezar por mirar los diagramas de bandas de los tres materiales. En videos anteriores he mostrado el diagrama de bandas de un semiconductor intrínseco. La posición del nivel de Fermi, que tengo

etiquetada E_Fi aquí es de la mayor importancia. E_Fi representa el nivel de Fermi de una intrínseca semiconductor. En el diagrama de bandas del material de tipo n, el nivel de energía denotado como ED representa la energía de los electrones “extra” de fósforo átomos que no están involucrados en bonos. El nivel de energía de este electrón débilmente unidos se encuentra cerca de la banda de conducción. Una vez liberado del átomo, ganará energía y ocupar un nivel de energía en la banda de conducción.

Desde el dopaje aumentamos el número de electrones con energías en la banda de conducción de la media la energía de los electrones se incrementará. Esto dará lugar a un cambio del nivel de Fermi hacia la banda de conducción. He dibujado el nivel de Fermi intrínseco para de referencia, pero la verdadera Fermi Nivel E_F se dibuja aquí en rojo. Se puede ver que es entre el nivel de Fermi intrínseco y la banda de conducción y la más que DOPE el material, más cerca del nivel de Fermi será la de la banda de conducción.

Si nos fijamos en un material de tipo p podemos ver un efecto similar, pero de sentido contrario. Ahora tenemos un nivel de energía, que se denota como E_a, que está ocupado por electrones que son aceptadas para formar enlaces covalentes. Dado que en este caso la mayor parte de los electrones ocupan los niveles de energía en o cerca de la banda de valencia la energía media de los electrones disminuirá. El nivel de Fermi se desplaza hacia la banda de valencia. Una vez más, cuanto mayor sea el dopaje con átomos aceptores, más cerca del nivel de Fermi será

a la banda de valencia. Antes de seguir adelante con algunos cálculos para determinar la concentración de portadores de carga móviles, es importante entender algunas terminología importante. En los semiconductores a menudo distinguir entre mayoritarios y minoritarios portadores de carga. Como ya entender nos ocupamos de dos tipos de portadores de carga en los semiconductores. Cargados negativamente electrones y positivamente agujeros cargados. En un semiconductor intrínseco tenemos la

mismo número de electrones y agujeros. Sin embargo, con el dopaje manipulamos la concentración de un solo tipo de los portadores de carga. Llamamos a los transportistas cuya concentración se mucho mayor que la de los otros portadores mayoritarios tipo. Estos son agujeros en materiales de tipo p y electrones en materiales de tipo n. portadores de carga minoritarios son los portadores de concentración mucho más baja que la mayoría portadores. Estos son los electrones en en materiales de tipo p

y agujeros en materiales de tipo n. La concentración de dopante puede ser selectivamente elegido de acuerdo con la aplicación. Para el silicio cristalino que puede tener tres niveles de dopaje, bajo, moderado y pesado, cuyas gamas puede verse en esta imagen. Por ejemplo, cuando tomamos un dopaje moderado de 10 a potencia de 16 átomos dopantes por cúbica centímetro esto significa que hemos sustituido sólo un átomo de silicio de 1 millón de silicio átomos. Para aplicaciones de células solares, por lo general

utilizar capas con moderada a altas concentraciones de dopante. En este vídeo nos fijamos en cómo afecta el dopaje algunas de las propiedades de semiconductores cualitativamente. En el siguiente video vamos a aprender a calcular las concentraciones de portadores y la posición de los niveles de Fermi de los semiconductores dependiendo de su concentración de dopaje.



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PV1x_2017_2.2.3_Doping-video.mp4