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Articulo de referencia

Dopaje (semiconductor)

Dopaje de una matriz de silicio puro. Un semiconductor intrínseco basado en silicio se convierte en extrínseco cuando se introducen impurezas como el boro y el antimonio . En la...

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Dopaje de una matriz de silicio puro. Un semiconductor intrínseco basado en silicio se convierte en extrínseco cuando se introducen impurezas como el boro y el antimonio .

En la producción de semiconductores , el dopaje consiste en la introducción intencional de impurezas en un semiconductor intrínseco (sin dopar) con el fin de modular sus propiedades eléctricas, ópticas y estructurales. El material dopado se denomina semiconductor extrínseco .

Pequeñas cantidades de átomos dopantes pueden cambiar la capacidad de un semiconductor para conducir electricidad. Cuando se añade aproximadamente un átomo dopante por cada 100 millones de átomos intrínsecos, se dice que el dopaje es bajo o ligero . Cuando se añaden muchos más átomos dopantes, aproximadamente uno por cada diez mil átomos, el dopaje se denomina alto o pesado . Esto se suele representar como n+ para el dopaje de tipo n o p+ para el dopaje de tipo p . ( Consulte el artículo sobre semiconductores para obtener una descripción más detallada del mecanismo de dopaje ). Un semiconductor dopado a niveles tan altos que se comporta más como un conductor que como un semiconductor se denomina semiconductor degenerado . Un semiconductor puede considerarse de tipo i si ha sido dopado en cantidades iguales de p y n.

En el contexto de los fósforos y centelleadores , el dopaje se conoce mejor como activación ; esto no debe confundirse con la activación de dopantes en semiconductores. El dopaje también se utiliza para controlar el color en algunos pigmentos.

Historia

Los efectos de las impurezas en los semiconductores (dopaje) se conocían desde hace tiempo de forma empírica en dispositivos como detectores de radio de cristal y rectificadores de selenio . Por ejemplo, en 1885 Shelford Bidwell y en 1930 el científico alemán Bernhard Gudden informaron independientemente que las propiedades de los semiconductores se debían a las impurezas que contenían. [ 1 ] [ 2 ] John Robert Woodyard, que trabajaba en Sperry Gyroscope Company durante la Segunda Guerra Mundial , desarrolló formalmente un proceso de dopaje . Aunque no se utiliza la palabra "dopaje " en ella, su patente estadounidense, emitida en 1950, describe métodos para añadir pequeñas cantidades de elementos sólidos de la columna del nitrógeno de la tabla periódica al germanio para producir dispositivos rectificadores. [ 3 ] Las exigencias de su trabajo en radar impidieron a Woodyard continuar investigando el dopaje de semiconductores.

Un trabajo similar fue realizado en Bell Labs por Gordon K. Teal y Morgan Sparks , y se emitió una patente estadounidense en 1953. [ 4 ]

La patente anterior de Woodyard resultó ser motivo de un extenso litigio por parte de Sperry Rand . [ 5 ]

concentración de portadores

La concentración del dopante utilizado afecta a muchas propiedades eléctricas del semiconductor. La más importante es la concentración de portadores de carga del material . En un semiconductor intrínseco en equilibrio térmico , las concentraciones de electrones y huecos son equivalentes. Es decir,

norte=pag=nortei. {\displaystyle n=p=n_{i}.\ }

En un semiconductor no intrínseco en equilibrio térmico, la relación se convierte en (para un dopaje bajo):

norte0⋅pag0=nortei2 {\displaystyle n_{0}\cdot p_{0}=n_{i}^{2}\ }

donde n 0 es la concentración de electrones de conducción, p 0 es la concentración de huecos de conducción y n i es la concentración intrínseca de portadores del material. La concentración intrínseca de portadores varía entre materiales y depende de la temperatura. La n i del silicio , por ejemplo, es aproximadamente 1,08 × 10 10 cm −3 a 300 kelvin , aproximadamente a temperatura ambiente . [ 6 ]

En general, un mayor dopaje conlleva un aumento de la conductividad debido a la mayor concentración de portadores. Los semiconductores degenerados (con un dopaje muy alto) tienen niveles de conductividad comparables a los de los metales y se utilizan a menudo en circuitos integrados como sustitutos de estos. Con frecuencia, se utilizan los símbolos de superíndice más y menos para indicar la concentración relativa de dopaje en los semiconductores. Por ejemplo, n + denota un semiconductor de tipo n con una alta concentración de dopaje, a menudo degenerada. Del mismo modo, p− indicaría un material de tipo p con un dopaje muy bajo. Incluso los niveles de dopaje degenerados implican bajas concentraciones de impurezas con respecto al semiconductor base. En el silicio cristalino intrínseco , hay aproximadamente 5 × 10²² átomos/cm³ . La concentración de dopaje para los semiconductores de silicio puede variar desde 10¹³ cm⁻³ hasta 10¹⁸ cm⁻³ . Una concentración de dopaje superior a unos 10¹⁸ cm⁻³ se considera degenerada a temperatura ambiente. El silicio dopado degeneradamente contiene una proporción de impurezas respecto al silicio del orden de partes por mil. Esta proporción puede reducirse a partes por mil millones en el silicio con un dopaje muy ligero. Los valores de concentración típicos se sitúan en este rango y se ajustan para obtener las propiedades deseadas en el dispositivo para el que está destinado el semiconductor.

Efecto sobre la estructura de bandas

Diagrama de bandas de la unión PN en polarización directa, que muestra una reducción en el ancho de la zona de agotamiento. Tanto la unión p como la unión n están dopadas a un nivel de 1 × 10¹⁵ / cm³ , lo que resulta en un potencial interno de aproximadamente 0,59 V. La reducción del ancho de la zona de agotamiento se deduce del perfil de carga cada vez menor, ya que se exponen menos dopantes al aumentar la polarización directa.

El dopaje de un semiconductor en un buen cristal introduce estados de energía permitidos dentro de la banda prohibida , pero muy cerca de la banda de energía que corresponde al tipo de dopante. En otras palabras, las impurezas donadoras de electrones crean estados cerca de la banda de conducción, mientras que las impurezas aceptoras de electrones crean estados cerca de la banda de valencia. La diferencia entre estos estados de energía y la banda de energía más cercana se conoce como energía de enlace del sitio del dopante o E B , y es relativamente pequeña. Por ejemplo, la E B del boro en silicio masivo es de 0,045 eV, en comparación con la banda prohibida del silicio de aproximadamente 1,12 eV. Debido a que E B es tan pequeña, la temperatura ambiente es lo suficientemente alta como para ionizar térmicamente prácticamente todos los átomos dopantes y crear portadores de carga libres en las bandas de conducción o de valencia.

Los dopantes también tienen el importante efecto de desplazar las bandas de energía con respecto al nivel de Fermi . La banda de energía que corresponde al dopante con la mayor concentración termina más cerca del nivel de Fermi. Dado que el nivel de Fermi debe permanecer constante en un sistema en equilibrio termodinámico , el apilamiento de capas de materiales con diferentes propiedades conduce a muchas propiedades eléctricas útiles inducidas por la curvatura de bandas , si las interfaces se pueden hacer lo suficientemente limpias. Por ejemplo, las propiedades de la unión pn se deben a la curvatura de bandas que ocurre como resultado de la necesidad de alinear las bandas en las regiones de contacto de material de tipo p y tipo n. Este efecto se muestra en un diagrama de bandas . El diagrama de bandas generalmente indica la variación en los bordes de la banda de valencia y la banda de conducción en función de alguna dimensión espacial, a menudo denotada por x . El nivel de Fermi también suele indicarse en el diagrama. A veces se muestra el nivel de Fermi intrínseco , E i , que es el nivel de Fermi en ausencia de dopaje. Estos diagramas son útiles para explicar el funcionamiento de muchos tipos de dispositivos semiconductores .

Relación con la concentración de portadores (dopaje bajo)

Para niveles bajos de dopaje, los estados de energía relevantes están escasamente poblados por electrones (banda de conducción) o huecos (banda de valencia). Es posible escribir expresiones sencillas para las concentraciones de portadores de electrones y huecos, ignorando la exclusión de Pauli (mediante la estadística de Maxwell-Boltzmann ):

nortemi=nortedo(T)exp⁡((miF−mido)/kT),norteh=norteV(T)exp⁡((miV−miF)/kT),{\displaystyle n_{e}=N_{\rm {C}}(T)\exp((E_{\rm {F}}-E_{\rm {C}})/kT),\quad n_{h}=N_{\rm {V}}(T)\exp((E_{\rm {V}}-E_{\rm {F}})/kT),}

donde E F es el nivel de Fermi , E C es la energía mínima de la banda de conducción y E V es la energía máxima de la banda de valencia. Estos están relacionados con el valor de la concentración intrínseca a través de [ 7 ].

nortei2=nortehnortemi=norteV(T)nortedo(T)exp⁡((miV−mido)/kT),{\displaystyle n_{i}^{2}=n_{h}n_{e}=N_{\rm {V}}(T)N_{\rm {C}}(T)\exp((E_{\rm {V}}-E_{\rm {C}})/kT),}

una expresión que es independiente del nivel de dopaje, ya que E C – E V (la brecha de banda ) no cambia con el dopaje.

Los factores de concentración N C ( T ) y N V ( T ) vienen dados por

nortedo(T)=2(2πmetromi∗kT/h2)3/2norteV(T)=2(2πmetroh∗kT/h2)3/2.{\displaystyle N_{\rm {C}}(T)=2(2\pi m_{e}^{*}kT/h^{2})^{3/2}\quad N_{\rm {V}}(T)=2(2\pi m_{h}^{*}kT/h^{2})^{3/2}.}

donde m e * y m h * son las masas efectivas de densidad de estados de electrones y huecos, respectivamente, cantidades que son aproximadamente constantes en función de la temperatura. [ 7 ]

Técnicas de dopaje y síntesis

Dopaje durante el crecimiento de cristales

Se añaden algunos dopantes a medida que el lingote (generalmente de silicio ) crece mediante el método Czochralski , lo que da a cada oblea un dopaje inicial casi uniforme. [ 8 ]

Alternativamente, la síntesis de dispositivos semiconductores puede implicar el uso de epitaxia en fase gaseosa . En la epitaxia en fase gaseosa, se puede introducir en el reactor un gas que contiene el precursor del dopante. Por ejemplo, en el caso del dopaje con gas de tipo n del arseniuro de galio , se añade sulfuro de hidrógeno y el azufre se incorpora a la estructura. [ 9 ] Este proceso se caracteriza por una concentración constante de azufre en la superficie. [ 10 ] En el caso de los semiconductores en general, solo es necesario dopar una capa muy delgada de la oblea para obtener las propiedades electrónicas deseadas. [ 11 ]

Dopaje posterior al crecimiento

Para definir los elementos del circuito, las áreas seleccionadas —normalmente controladas por fotolitografía [ 12 ] — se dopan adicionalmente mediante procesos como el dopaje por difusión térmica (difusión en horno tubular) [ 13 ] y la implantación iónica , siendo este último método más popular en grandes series de producción de circuitos integrados debido a su mayor controlabilidad. [ 14 ]

El dopaje por difusión térmica, conocido simplemente como difusión, se utiliza ampliamente en la fotovoltaica de silicio [ 15 ] y utiliza sustancias químicas como el tribromuro de boro o el diborano [ 16 ] como fuente para el dopaje con boro. [ 17 ] [ 18 ] Con el proceso de difusión, la oblea se coloca en un horno de tubo de cuarzo, utilizando un soporte de cuarzo llamado barca [ 19 ] a una temperatura de 1200  °C en el que se introduce en el horno un compuesto químico que contiene el dopante, como el tribromuro de boro para el dopaje con boro para crear regiones semiconductoras de tipo p, o el cloruro de fosforilo para crear regiones de tipo n, [ 20 ] [ 21 ] Esto crea una capa del dopante en la superficie de la oblea y este paso se llama predeposición. Luego se realiza un segundo paso, llamado drive-in, en el que la oblea se calienta a una temperatura más alta de 1300  °C para introducir el dopante en la estructura de la oblea. [ 22 ] La difusión puede utilizar fuentes sólidas, líquidas o gaseosas con átomos dopantes, como nitruro de boro sólido para el boro, trióxido de arsénico para el arsénico, tricloruro de arsénico líquido, arsina o fosfina gaseosas . Si se utiliza una fuente gaseosa, se transporta al horno mediante un gas portador como el nitrógeno y luego se deja descomponer en la superficie caliente de la oblea, depositando el dopante deseado, como el arsénico, por ejemplo. Si se utiliza una fuente líquida, sus vapores se transportan al horno mediante nitrógeno. [ 16 ] [ 23 ] [ 19 ] El horno puede ser horizontal o vertical. [ 24 ]

Cristal de rosca

El recubrimiento por centrifugación de vidrio o dopante es un proceso de dos pasos. Primero, se aplica una mezcla de SiO₂ y dopantes (en un disolvente) a la superficie de una oblea mediante recubrimiento por centrifugación . Luego se retira y se hornea a una temperatura determinada en un horno con flujo constante de nitrógeno y oxígeno. [ 25 ]

dopaje por transmutación de neutrones

El dopaje por transmutación de neutrones (NTD) es un método de dopaje inusual para aplicaciones especiales. Generalmente, se utiliza para dopar silicio tipo n en electrónica de alta potencia y detectores semiconductores . Se basa en la conversión del isótopo Si-30 en átomo de fósforo mediante absorción de neutrones, como se muestra a continuación:

30Si(norte,γ)31Si→31PAG+β−(T1/2=2.62h).{\displaystyle ^{30}\mathrm {Si} \,(n,\gamma )\,^{31}\mathrm {Si} \rightarrow \,^{31}\mathrm {P} +\beta ^{-}\;(T_{1/2}=2.62\mathrm {h} ).} En la práctica, el silicio se coloca típicamente cerca de un reactor nuclear para recibir los neutrones. A medida que los neutrones atraviesan el silicio, se producen cada vez más átomos de fósforo por transmutación, y por lo tanto, el dopaje se vuelve cada vez más de tipo n. El dopaje por transferencia de neutrones (NTD) es un método mucho menos común que la difusión o la implantación iónica, pero tiene la ventaja de crear una distribución de dopante extremadamente uniforme. [ 26 ] [ 27 ]

Elementos dopantes

Semiconductores del grupo IV

(Nota: Al hablar de los grupos de la tabla periódica , los físicos de semiconductores siempre utilizan una notación antigua, no la notación actual de la IUPAC . Por ejemplo, el grupo del carbono se llama "Grupo IV", no "Grupo 14").

Para los semiconductores del Grupo IV, como el diamante , el silicio , el germanio , el carburo de silicio y el silicio-germanio , los dopantes más comunes son los aceptores del Grupo III o los donantes de los elementos del Grupo V. El boro , el arsénico , el fósforo y, ocasionalmente, el galio se utilizan para dopar el silicio. El boro es el dopante de tipo p preferido para la producción de circuitos integrados de silicio porque se difunde a una velocidad que permite controlar fácilmente la profundidad de las uniones. El fósforo se utiliza normalmente para el dopaje masivo de las obleas de silicio, mientras que el arsénico se utiliza para difundir las uniones, ya que se difunde más lentamente que el fósforo y, por lo tanto, es más controlable.

Al dopar silicio puro con elementos del Grupo V , como el fósforo, se añaden electrones de valencia adicionales que se liberan de los átomos individuales y permiten que el compuesto sea un semiconductor de tipo n eléctricamente conductor . El dopaje con elementos del Grupo III , que carecen del cuarto electrón de valencia, crea "enlaces rotos" (huecos) en la red de silicio que pueden moverse libremente. El resultado es un semiconductor de tipo p eléctricamente conductor . En este contexto, se dice que un elemento del Grupo V se comporta como un donador de electrones y un elemento del Grupo III como un aceptor . Este es un concepto clave en la física de un diodo .

Un semiconductor con un dopaje muy elevado se comporta más como un buen conductor (metal) y, por lo tanto, presenta un coeficiente térmico positivo más lineal. Este efecto se utiliza, por ejemplo, en los sensizadores . [ 28 ] En otros tipos de termistores (NTC o PTC) se utiliza una dosis de dopaje menor .

dopantes de silicio

  • Aceptores, tipo p
    • El boro es un dopante de tipo p . Su velocidad de difusión permite controlar fácilmente la profundidad de las uniones. Es común en la tecnología CMOS . Se puede añadir mediante la difusión de gas diborano . Es el único aceptor con suficiente solubilidad para obtener emisores eficientes en transistores y otras aplicaciones que requieren concentraciones de dopante extremadamente altas. El boro se difunde casi tan rápido como el fósforo.
    • Aluminio , utilizado para difusiones p profundas. No es popular en VLSI y ULSI. También es una impureza no intencionada común. [ 29 ]
    • El galio es un dopante utilizado para detectores de silicio fotoconductores infrarrojos de longitud de onda larga en la ventana atmosférica de 8 a 14 μm. [ 30 ] El silicio dopado con galio también es prometedor para células solares, debido a su larga vida útil de portadores minoritarios sin degradación de la vida útil; por lo tanto, está ganando importancia como reemplazo de los sustratos dopados con boro para aplicaciones de células solares. [ 29 ]
    • El indio es un dopante utilizado para detectores de silicio fotoconductores infrarrojos de longitud de onda larga en la ventana atmosférica de 3 a 5 μm. [ 30 ]
  • Donantes, tipo n
    • El fósforo es un dopante de tipo n . Se difunde rápidamente, por lo que se suele utilizar para el dopaje masivo o para la formación de pozos cuánticos. Se emplea en células solares. Puede añadirse mediante la difusión de gas fosfina . El dopaje masivo puede lograrse mediante transmutación nuclear , irradiando silicio puro con neutrones en un reactor nuclear . El fósforo también atrapa átomos de oro, que de otro modo se difundirían rápidamente a través del silicio y actuarían como centros de recombinación.
    • El arsénico es un dopante de tipo n. Su difusión más lenta permite su uso en uniones difusas. Se utiliza en capas enterradas. Tiene un radio atómico similar al del silicio, lo que permite alcanzar altas concentraciones. Su difusividad es aproximadamente una décima parte de la del fósforo o el boro, por lo que se utiliza cuando el dopante debe permanecer en su lugar durante el procesamiento térmico posterior. Es útil para difusiones superficiales donde se desea un límite abrupto bien controlado. Es el dopante preferido en circuitos VLSI y en rangos de baja resistividad. [ 29 ]
    • El antimonio es un dopante de tipo n. Tiene un coeficiente de difusión pequeño. Se utiliza para capas enterradas. Tiene una difusividad similar a la del arsénico, por lo que se utiliza como alternativa. Su difusión es prácticamente puramente sustitucional, sin intersticiales, por lo que está libre de efectos anómalos. Debido a esta propiedad superior, a veces se utiliza en VLSI en lugar de arsénico. El dopaje intenso con antimonio es importante para dispositivos de potencia. El silicio fuertemente dopado con antimonio tiene una menor concentración de impurezas de oxígeno; los mínimos efectos de autodopaje lo hacen adecuado para sustratos epitaxiales. [ 29 ]
    • El bismuto es un dopante prometedor para detectores de silicio fotoconductores infrarrojos de longitud de onda larga, una alternativa viable de tipo n al material dopado con galio de tipo p. [ 31 ]
    • El litio se utiliza para dopar el silicio en células solares resistentes a la radiación . La presencia de litio recombina los defectos en la red producidos por protones y neutrones. [ 32 ] El litio puede introducirse en silicio p+ dopado con boro, en cantidades suficientemente bajas como para mantener el carácter p del material, o en cantidades suficientemente grandes como para contrarrestar su dopaje y convertirlo en silicio tipo n de baja resistividad. [ 33 ]
  • Otro
    • El germanio se puede utilizar para la ingeniería de banda prohibida . La capa de germanio también inhibe la difusión del boro durante los pasos de recocido, lo que permite uniones p-MOSFET ultradelgadas. [ 34 ] El dopaje masivo con germanio suprime los defectos de vacío grandes, aumenta el gettering interno y mejora la resistencia mecánica de la oblea. [ 29 ]
    • El silicio , el germanio y el xenón pueden utilizarse como haces de iones para la preamorización de las superficies de las obleas de silicio. La formación de una capa amorfa bajo la superficie permite crear uniones ultradelgadas para transistores p-MOSFET.
    • El nitrógeno es importante para el crecimiento de cristales de silicio libres de defectos. Mejora la resistencia mecánica de la red, aumenta la generación de microdefectos en el volumen y suprime la aglomeración de vacantes. [ 29 ]
    • El oro y el platino se utilizan para controlar la vida útil de los portadores minoritarios . Se emplean en algunas aplicaciones de detección infrarroja. El oro introduce un nivel donador 0,35 eV por encima de la banda de valencia y un nivel aceptor 0,54 eV por debajo de la banda de conducción. El platino introduce un nivel donador también a 0,35 eV por encima de la banda de valencia, pero su nivel aceptor está solo 0,26 eV por debajo de la banda de conducción; como el nivel aceptor en el silicio de tipo n es menos profundo, la tasa de generación de carga espacial es menor y, por lo tanto, la corriente de fuga también es menor que con el dopaje de oro. A altos niveles de inyección, el platino ofrece un mejor rendimiento para la reducción de la vida útil. La recuperación inversa de los dispositivos bipolares depende más de la vida útil de bajo nivel, y su reducción se realiza mejor con oro. El oro proporciona un buen equilibrio entre la caída de tensión directa y el tiempo de recuperación inversa para dispositivos bipolares de conmutación rápida, donde la carga almacenada en las regiones de base y colector debe minimizarse. Por el contrario, en muchos transistores de potencia se requiere una larga vida útil de los portadores minoritarios para lograr una buena ganancia, y las impurezas de oro/platino deben mantenerse bajas. [ 35 ]

Otros semiconductores

En la siguiente lista, "(sustituyendo X)" se refiere a todos los materiales que preceden a dicho paréntesis. [ 36 ]

  • arseniuro de galio
    • Tipo n: telurio, azufre (en sustitución del arsénico); estaño, silicio, germanio (en sustitución del galio)
    • Tipo p: berilio, zinc, cromo (en sustitución del Ga); silicio, germanio, carbono (en sustitución del As)
  • fosfuro de galio
    • Tipo n: telurio, selenio, azufre (en sustitución del fósforo)
    • Tipo p: zinc, magnesio (en sustitución del Ga); estaño (en sustitución del P)
    • isoeléctrico: se añade nitrógeno (en sustitución del fósforo) para permitir la luminiscencia en los LED verdes más antiguos (el GaP tiene una banda prohibida indirecta ).
  • Nitruro de galio , nitruro de indio y galio , nitruro de aluminio y galio
    • Tipo n: silicio (sustituyendo a Ga), germanio (sustituyendo a Ga, mejor coincidencia de red), carbono (sustituyendo a Ga, se incrusta naturalmente en capas cultivadas mediante MOVPE en baja concentración)
    • Tipo p: magnesio (sustituyendo a Ga): un desafío debido a la energía de ionización relativamente alta por encima del borde de la banda de valencia , la fuerte difusión del Mg intersticial , los complejos de hidrógeno que pasivan los aceptores de Mg y la autocompensación del Mg a concentraciones más altas.
  • telururo de cadmio
    • Tipo n: indio, aluminio (en sustitución del cadmio); cloro (en sustitución del telurio)
    • Tipo p: fósforo (en sustitución del Te); litio, sodio (en sustitución del Cd)
  • sulfuro de cadmio
    • Tipo n: galio (en sustitución del cadmio); yodo, flúor (en sustitución del azufre)
    • Tipo p: litio, sodio (en sustitución del cadmio)

Compensación

En la mayoría de los casos, el semiconductor dopado resultante contiene diversos tipos de impurezas. Si el semiconductor presenta un número igual de donadores y aceptores, los electrones adicionales del núcleo proporcionados por los primeros se utilizarán para compensar los enlaces rotos por los segundos, de modo que el dopaje no genera portadores libres de ningún tipo. Este fenómeno se conoce como compensación y ocurre en la unión pn de la gran mayoría de los dispositivos semiconductores.

La compensación parcial, donde los donantes superan en número a los aceptores o viceversa, permite a los fabricantes de dispositivos invertir repetidamente el tipo de una determinada capa bajo la superficie de un semiconductor masivo mediante la difusión o implantación de dosis sucesivamente mayores de dopantes, lo que se denomina contradopaje . La mayoría de los dispositivos semiconductores modernos se fabrican mediante pasos sucesivos de contradopaje selectivo para crear las áreas de tipo P y N necesarias bajo la superficie del silicio masivo. [ 37 ] Esta es una alternativa al crecimiento sucesivo de dichas capas por epitaxia.

Aunque la compensación puede utilizarse para aumentar o disminuir el número de donantes o aceptores, la movilidad de los electrones y los huecos siempre disminuye con la compensación, ya que la movilidad se ve afectada por la suma de los iones donantes y aceptores.

Dopaje en polímeros conductores

Los polímeros conductores pueden doparse añadiendo reactivos químicos para oxidar , o a veces reducir, el sistema, de modo que los electrones se incorporen a los orbitales conductores dentro del sistema, que ya de por sí es potencialmente conductor. Existen dos métodos principales para dopar un polímero conductor, ambos basados ​​en un proceso de oxidación-reducción (es decir, redox ).

  1. El dopaje químico consiste en exponer un polímero, como la melanina (generalmente una película delgada) , a un oxidante como el yodo o el bromo . Alternativamente, el polímero puede exponerse a un reductor ; este método es mucho menos común y suele implicar metales alcalinos .
  2. El dopaje electroquímico consiste en suspender un electrodo de trabajo recubierto de polímero en una solución electrolítica en la que el polímero es insoluble, junto con electrodos de referencia y contraelectrodo separados. Se crea una diferencia de potencial eléctrico entre los electrodos que provoca que una carga y el contraión apropiado del electrolito entren en el polímero en forma de adición de electrones (es decir, dopaje n) o eliminación de electrones (es decir, dopaje p).

El dopaje con nitrógeno es mucho menos común debido a que la atmósfera terrestre es rica en oxígeno , lo que crea un ambiente oxidante . Un polímero dopado con nitrógeno, rico en electrones, reacciona inmediatamente con el oxígeno elemental para desdoparse (es decir, reoxidarse al estado neutro). Por lo tanto, el dopaje químico con nitrógeno debe realizarse en una atmósfera de gas inerte (por ejemplo, argón ). El dopaje electroquímico con nitrógeno es mucho más común en la investigación, ya que es más fácil excluir el oxígeno de un disolvente en un recipiente sellado . Sin embargo, es improbable que los polímeros conductores dopados con nitrógeno estén disponibles comercialmente.

Dopaje en semiconductores moleculares orgánicos

Los dopantes moleculares son preferidos en el dopaje de semiconductores moleculares debido a su compatibilidad de procesamiento con el huésped, es decir, temperaturas de evaporación similares o solubilidad controlable. [ 38 ] Además, los tamaños relativamente grandes de los dopantes moleculares en comparación con los de los dopantes de iones metálicos (como Li + y Mo 6+ ) son generalmente beneficiosos, produciendo un excelente confinamiento espacial para su uso en estructuras multicapa, como OLEDs y células solares orgánicas . Los dopantes típicos de tipo p incluyen F4-TCNQ [ 39 ] y Mo(tfd) 3 . [ 40 ] Sin embargo, de manera similar al problema encontrado en el dopaje de polímeros conductores, los dopantes n estables al aire adecuados para materiales con baja afinidad electrónica (EA) siguen siendo esquivos. Recientemente, la fotoactivación con una combinación de dopantes diméricos escindibles, como [RuCp ∗ Mes] 2 , sugiere una nueva vía para lograr un dopaje n efectivo en materiales de baja EA. [ 38 ]

dopaje magnético

Las investigaciones sobre el dopaje magnético han demostrado que pequeñas concentraciones de una impureza pueden alterar considerablemente ciertas propiedades, como el calor específico; por ejemplo, las impurezas dopantes en aleaciones ferromagnéticas semiconductoras pueden generar propiedades diferentes, como predijeron por primera vez White, Hogan, Suhl y Nakamura. [ 41 ] [ 42 ] La inclusión de elementos dopantes para impartir magnetismo diluido es cada vez más importante en el campo de los semiconductores magnéticos . La presencia de especies ferromagnéticas dispersas es clave para la funcionalidad de la espintrónica emergente , una clase de sistemas que utilizan el espín del electrón además de la carga. Mediante la teoría del funcional de la densidad (DFT), se puede modelar el comportamiento magnético dependiente de la temperatura de los dopantes dentro de una red dada para identificar sistemas semiconductores candidatos. [ 43 ]

Dopantes individuales en semiconductores

La sensible dependencia de las propiedades de un semiconductor respecto a los dopantes ha proporcionado una amplia gama de fenómenos ajustables para explorar y aplicar a dispositivos. Es posible identificar los efectos de un dopante individual tanto en el rendimiento de dispositivos comerciales como en las propiedades fundamentales de un material semiconductor. Han surgido nuevas aplicaciones que requieren el carácter discreto de un solo dopante, como los dispositivos de espín único en el campo de la información cuántica o los transistores de un solo dopante. Los avances espectaculares de la última década en la observación, creación y manipulación controlada de dopantes individuales, así como su aplicación en dispositivos innovadores, han permitido abrir el nuevo campo de la solotrónica ( optoelectrónica de dopantes individuales ). [ 44 ]

Dopaje por modulación

Los electrones o huecos introducidos por dopaje son móviles y pueden separarse espacialmente de los átomos dopantes de los que se han disociado. Sin embargo, los donadores y aceptores ionizados atraen electrones y huecos, respectivamente, por lo que esta separación espacial requiere cambios abruptos en los niveles de dopaje, en la banda prohibida (por ejemplo, en un pozo cuántico ) o en los campos eléctricos internos (por ejemplo, en el caso de cristales no centrosimétricos ). Esta técnica se denomina dopaje por modulación y resulta ventajosa debido a la supresión de la dispersión portador-donador , lo que permite alcanzar una movilidad muy alta .

Véase también

Referencias

  1. ↑ "De Faraday a Shockley: historia del transistor" . Consultado el 2 de febrero de 2016 .
  2. ↑ Wilson, AH (1954). La teoría de los metales . Cambridge University Press. OCLC 1036891562 . 
  3. ↑ Patente estadounidense 2530110 , Woodyard, John R., "Dispositivo de circuito no lineal que utiliza germanio", emitida en 1950. 
  4. ↑ Patente estadounidense 2631356 , Sparks, Morgan y Teal, Gordon K., "Método para fabricar uniones PN en materiales semiconductores", emitida el 17 de marzo de 1953. 
  5. ↑ "John Robert Woodyard, Ingeniería Eléctrica: Berkeley" . Universidad de California: In Memoriam . 1985. Consultado el 12 de agosto de 2007 .
  6. ↑ Sproul, A. B; Green, M. A (1991). "Valor mejorado para la concentración intrínseca de portadores de silicio de 275 a 375 K". J. Appl. Phys . 70 (2): 846. Bibcode : 1991JAP....70..846S . doi : 10.1063/1.349645 .
  7. 1 2 Green, MA (1990). "Concentración intrínseca, densidades efectivas de estados y masa efectiva en silicio". Journal of Applied Physics . 67 (6): 2944. Bibcode : 1990JAP....67.2944G . doi : 10.1063/1.345414 .
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