Estructuras cristalinas
Objetivo: el alumno
comprenderá algunos conceptos de cristalografía y conocerá algunas estructuras
típicas. Además, comprenderá la utilidad de los rayos X en la determinación de
la orientación de la estructura cristalina.
Propiedades
generales del material.
La gran mayoría de
todos los componentes de estado sólido actualmente en el mercado son fabricados
a partir de una clase de materiales conocidos como semiconductores.
Composición
La tabla siguiente es una lista de la composición atómica de los semiconductores que probablemente sean encontrados en la literatura de componentes. Como es conocido, la familia de materiales semiconductores incluyen los semiconductores elementales Si y Ge, semiconductores compuestos tales como GaAs y ZnSe, y metales como el Alx Ga1-xAs. Debido en gran parte al avanzado estado de las tecnologías de fabricación, el silicio (Si) es por mucho el más importante de los semiconductores, dominando totalmente el mercado comercial. La extensa mayoría de los componentes discretos y circuitos integrados (I’Cs), incluyendo la unidad central de procesamiento (CPU) en microcomputadoras y el modulo de inyección de los autos modernos, son fabricados a partir de dicho material. GaAs, muestra un electrón superior propiedades de transporte y propiedades ópticas especiales, es utilizado en un significativo numero de aplicaciones que abarcan desde diodos láser hasta circuitos integrados de alta velocidad. El resto de los semiconductores son utilizados en “nichos”, aplicaciones que son invariablemente de alta velocidad, alta temperatura, o de naturaleza opto electrónica.
Conocida su presente posición de dominancia, tenderemos a enfocarnos nuestra atención en el Si durante el desarrollo del texto.
Donde sea posible, sin embargo, al GaAs se le dará una consideración similar y otros
semiconductores serán destacados como discusión garantizada.
Aunque el numero de materiales semiconductores es razonablemente grande, la lista es actualmente bastante limitada considerando el numero total de elementos y las posibles combinaciones de elementos. Observe que, refiriéndonos a la abreviada tabla periódica de los elementos (tabla 1.2), solo un cierto grupo de elementos y combinaciones elementales típicamente nos proporcionan material semiconductor. Excepto por los compuestos IV-VI, los demás semiconductores mencionados en la tabla 1.1 son compuestos de los elementos que aparecen en la columna IV de la tabla Periódica o son una combinación de elementos en las columnas de la Tabla Periódica una distancia igual a cualquier lado de la columna IV. El elemento de la columna III (Ga) mas el elemento de la columna V (As) producen el semiconductor compuesto GaAs; el elemento de la columna II (Zn) mas el elemento de la columna VI (Se) producen el semiconductor compuesto ZnSe; la combinación de partes de Al y Ga (elementos de la columna III) mas el As (elemento de la columna V) producen la aleación semiconductora AlX Ga1-X As. Esta muy general propiedad esta muy relacionada a los enlaces químicos en semiconductores, donde, en promedio, hay cuatro electrones de valencia por átomo.
Pureza
Como se verá en el capitulo 2, los más mínimos indicios de átomos impuros llamados “dopantes” pueden tener un drástico efecto en las propiedades eléctricas del semiconductor. Por este motivo, la composición pura del semiconductor debe ser muy cuidadosamente controlada y, de hecho, los modernos semiconductores son algunos de los mas sólidos y puros materiales en existencia. En el Si por ejemplo, el involuntario contenido de átomos dopantes es rutinariamente menor que un átomo por cada 10 9 átomos de Si.
Para intentar auxiliar al lector a comprender el increíble
nivel de pureza, imaginemos un bosque de árboles de arce que fueron plantados
de costa a costa, frontera a frontera, y a una distancia de 50 pies a lo largo
de Estados Unidos (incluyendo Alaska). Un nivel de impureza de una parte por 10
9 correspondería a encontrar alrededor de 25 árboles de manzanas
silvestres en el bosque de árboles de arce (maple) cubriendo los Estados
Unidos.
Debemos enfatizar que la citada pureza del material se
refiere a las involuntarias o indeseadas impurezas. Típicamente, los átomos dopantes en niveles en el rango de una parte por 10 8 a un átomo
impuro por 10 3 átomos de semiconductor serán añadidas a propósito a
los semiconductores para controlar sus propiedades eléctricas.
Estructura
El arreglo espacial de átomos dentro del material juega un importante papel en la determinación de las propiedades precisas del material. Como se muestra en la siguiente figura 1.1, el arreglo atómico dentro de un sólido ocasiona que se le clasifique dentro de tres amplias categorías; a saber: amorfos, policristalina, o cristalina. Un sólido amorfo es un material en el cual no se reconoce un orden de gran alcance en las posiciones de los átomos dentro del material. El arreglo atómico en cualquier sección dada de un material amorfo lucirá diferente de otro arreglo atómico de una sección a otra del material.
Los sólidos
cristalinos mienten en el extremo opuesto en el orden de su espectro; en un
material cristalino los átomos están dispuestos en un bien ordenado arreglo
tridimensional.
Dada cualquier sección de un material cristalino, uno puede
fácilmente reproducir el arreglo atómico en cualquier otra sección del material.
Los sólidos policristalinos abarcan un caso intermedio en el cual el sólido esta compuesto por subsecciones cristalinas que están desarticuladas y desorientadas una con respecto de la otra (subsección).
Tras examinar a la mayoría de los componentes de estado
sólido existentes, rápidamente encontramos ejemplos de todas las formas
estructurales vistas.
Un Si amorfo en el transistor de película delgada es utilizado como un elemento de conmutación (switching element) en pantallas de cristal líquido (LCD); compuertas de Si policristalino son empleadas en los MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors). En la gran mayoría de dispositivos, sin embargo, la región activa del dispositivo esta situada dentro de un semiconductor cristalino. Un número abrumador de dispositivos fabricados hoy en día emplean semiconductores cristalinos.
Estructura del cristal
La discusión al final de la anterior sección nos conduce agradablemente hacia el interior de esta sección. Desde que se emplean semiconductores son típicamente de forma cristalina, parece razonable buscar afuera información adicional acerca del estado cristalino. Nuestra mayor meta aquí es presentar unos dibujos mas detallados de los arreglos atómicos dentro de los principales semiconductores. Para alcanzar esta meta, primero examinaremos como va uno describiendo la orientación espacial de los átomos dentro de los cristales. Enseguida, un poco de practica de “visualización” con simples arreglos de tres dimensiones (arreglos atómicos) se presenta antes de examinarse los arreglos semiconductores por sí mismos.
La sección finaliza con una introducción a un tópico relativo al índice de Miller. El índice de Miller es una cómoda notación abreviada ampliamente empleada para identificar planos específicos y direcciones dentro de cristales.
La celda unitaria
De manera sencilla, una celda unitaria es una pequeña porción de un cristal dado
que podría ser usado para reproducir el cristal. Para ayudar a fijar el concepto
de la celda unitaria (o bloque constructor), consideremos el arreglo de dos
dimensiones mostrado en la figura 1.2(a) Para describir este arreglo o para
especificar totalmente las características físicas del arreglo, solo necesitamos
suministrar la celda unitaria mostrada en la figura 1.2(b), como se indica en la
figura 1.2(c), el arreglo original puede ser fácilmente reproducido por mera
duplicación, la celda unitaria y el apilamiento de los siguientes
duplicados
uno junto a otro en una manera ordena.
Simples
celdas unitarias en 3D
Los cristales
semiconductores son tridimensionales y por tanto serán descritos en términos de
celdas unitarias tridimensionales (3D)
En la figura 1.3(a) tenemos ilustraciones de todas las celdas unitarias simples tridimensionales. La celda cúbica simple es una caja de lados iguales o cubo con un átomo posicionado en cada esquina del cubo.
El arreglo
cúbico simple asociado con esta celda es construido de una forma similar al
caso de dos dimensiones (2D)
Debemos
observar un detalle, que solo 1/8 de cada átomo que esta en la esquina esta
actualmente dentro de la celda, como lo muestra la imagen en la figura 1.3(b)
Duplicando la figura 1.3(b) la celda y
apilando los duplicados como
bloques en una planta productora el arreglo cúbico simple. Específicamente el
procedimiento genera planos de átomos como los vistos en la figura 1.2(a)
Planos de
átomos paralelos al plano de la base son separados uno de otro por el largo de
una cara de la celda unitaria o constante de arreglo (lattice constant)
a. Cuando vemos la normal a el plano
de la base, los átomos dados en un plano son posicionados directamente sobre
átomos tendidos en un plano mas bajo.
Las figuras 1.3© y 1.3(d) muestran dos
celdas tridimensionales comunes que son un poco mas complejas pero aún muy
emparentadas a la celda cúbica simple. La celda unitaria de la figura 1.3(
c) tiene un átomo añadido al centro del
cubo, esta configuración es llamada apropiadamente
celda unitaria cúbica de cuerpo
centrado (bcc). La celda unitaria cúbica de cara centrada de la figura
1.3(d) contiene un átomo en cada cara del cubo sumado a los átomos de las
esquinas.
Estructura cúbica de cara
centrada (fcc)
Estructura Hexagonal Simple
Estructura cúbica de cuerpo
centrado (bcc)
Estructura del Silicio (Si)
