Semiconductor de banda ancha

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Los semiconductores de banda prohibida (también conocidos como semiconductores WBG o WBGS) son materiales semiconductores que tienen una banda prohibida mayor que los semiconductores convencionales. Los semiconductores convencionales como el silicio tienen una banda prohibida en el rango de 0,6 a 1,5 electronvoltios (eV), mientras que los materiales de banda ancha tienen bandas prohibidas en el rango superior a 2 eV. Generalmente, los semiconductores de banda ancha tienen propiedades electrónicas que se encuentran entre las de los semiconductores y aislantes convencionales.

Los semiconductores de banda ancha permiten que los dispositivos funcionen a voltajes, frecuencias y temperaturas mucho más altas que los materiales semiconductores convencionales como el silicio y el arseniuro de galio. Son el componente clave que se utiliza para fabricar láseres o LED de longitud de onda corta (UV verde), y también se utilizan en determinadas aplicaciones de radiofrecuencia, en particular en radares militares. Sus cualidades intrínsecas los hacen adecuados para una amplia gama de otras aplicaciones y son uno de los principales competidores para dispositivos de próxima generación para uso general de semiconductores.

La banda prohibida más amplia es particularmente importante para permitir que los dispositivos que la utilizan funcionen a temperaturas mucho más altas, del orden de 300 °C. Esto los hace muy atractivos para aplicaciones militares, donde se han utilizado bastante. La tolerancia a altas temperaturas también significa que estos dispositivos pueden funcionar a niveles de potencia mucho más altos en condiciones normales. Además, la mayoría de los materiales de banda prohibida ancha también tienen una densidad de campo eléctrico crítico mucho mayor, del orden de diez veces mayor que la de los semiconductores convencionales. Combinadas, estas propiedades les permiten operar a voltajes y corrientes mucho más altas, lo que las hace muy valiosas en aplicaciones militares, de radio y de conversión de energía. El Departamento de Energía de EE. UU. cree que serán una tecnología fundamental en nuevas redes eléctricas y dispositivos de energía alternativa, así como en componentes de energía robustos y eficientes utilizados en vehículos de alta potencia, desde vehículos eléctricos enchufables hasta trenes eléctricos. La mayoría de los materiales de banda prohibida amplia también tienen altas velocidades de electrones libres, lo que les permite trabajar a velocidades de conmutación más altas, lo que aumenta su valor en aplicaciones de radio. Se puede utilizar un solo dispositivo WBG para crear un sistema de radio completo, eliminando la necesidad de componentes separados de señal y radiofrecuencia, mientras se opera a frecuencias y niveles de potencia más altos.

La investigación y el desarrollo de materiales de banda prohibida amplia van a la zaga de los semiconductores convencionales, que han recibido inversiones masivas desde la década de 1970. Sin embargo, sus claras ventajas inherentes en muchas aplicaciones, combinadas con algunas propiedades únicas que no se encuentran en los semiconductores convencionales, han llevado a un creciente interés en su uso en dispositivos electrónicos cotidianos en lugar del silicio. Su capacidad para manejar una mayor densidad de potencia es particularmente atractiva para los intentos de sostener la ley de Moore, ya que las tecnologías convencionales parecen estar alcanzando una meseta de densidad.

Uso en dispositivos

Los materiales de banda prohibida ancha tienen varias características que los hacen útiles en comparación con los materiales de banda prohibida más estrecha. La mayor brecha de energía brinda a los dispositivos la capacidad de operar a temperaturas más altas, ya que las bandas prohibidas generalmente se reducen al aumentar la temperatura, lo que puede ser problemático cuando se utilizan semiconductores convencionales. Para algunas aplicaciones, los materiales de banda prohibida ancha permiten que los dispositivos conmuten voltajes más grandes. La amplia banda prohibida también lleva la energía de transición electrónica al rango de energía de la luz visible y, por lo tanto, se pueden fabricar dispositivos emisores de luz como diodos emisores de luz (LED) y láseres semiconductores que emiten en el espectro visible, o incluso producir Radiación ultravioleta.

La iluminación de estado sólido que utiliza semiconductores de banda prohibida ancha tiene el potencial de reducir la cantidad de energía necesaria para proporcionar iluminación en comparación con las luces incandescentes, que tienen una eficacia luminosa de menos de 20 lúmenes por vatio. La eficacia de los LED es del orden de 160 lúmenes por vatio.

Los semiconductores de banda ancha también se pueden utilizar en el procesamiento de señales de RF. Los transistores de potencia basados en silicio están alcanzando límites de frecuencia operativa, voltaje de ruptura y densidad de potencia. Los materiales de banda prohibida amplia se pueden utilizar en aplicaciones de conmutación de potencia y alta temperatura.

Materiales

Los únicos materiales con banda prohibida alta en el grupo IV son el diamante y el carburo de silicio (SiC).

Hay muchos semiconductores compuestos III-V y II-VI con bandas prohibidas altas. En la familia de semiconductores III-V, el nitruro de aluminio (AlN) se usa para fabricar LED ultravioleta con longitudes de onda de hasta 200 a 250 nm, el nitruro de galio (GaN) se usa para fabricar LED azules y diodos láser, y el nitruro de boro (BN) es propuesto para LED azules.

Tabla de semiconductores de banda ancha comunes

Grupo	Elem.	Material	Formula	Distancia de banda (eV)	Tipo de gap	Descripción
IV	1	Diamante	C	5.47	indirectas	Excelente conductividad térmica. Propiedades mecánicas y ópticas superiores.
IV	2	Carburo de silicona	SiC	2.3-3.3	indirectas	Bandgap varía dependiendo de la estructura de cristal, 3C-SiC, 4H-SiC, o 6H-SiC. Se utiliza para aplicaciones de alta tensión y alta temperatura, y para LEDs amarillos y azules tempranos
III-V	2	Nitruro de hierro	BN	5.96-6.36	indirectas	Bandgaps enumerados son para la estructura de cristal cúbico o hexagonal respectivamente. Potentially useful for ultraviolet LEDs
III-V	2	Fosfido de aluminio	AlP	2.45	indirectas
III-V	2	Arseniuro de aluminio	AlAs	2.16	indirectas
III-V	2	Nitruro de calcio	GaN	3.44	directa	p-doping con Mg y annealing permitió la primera alta eficiencia LED azul y láser azul. Los transistores GaN pueden operar con voltajes más altos y temperaturas más altas que GaAs, utilizados en amplificadores de potencia de microondas. Cuando se dopa con manganeso, se convierte en un semiconductor magnético.
III-V	2	Fosfido de calcio	GaP	2.26	indirectas	Se utiliza en los LEDs rojo/orange/green de baja a mediana brillo temprano. Usado independiente o con GaAsP. Transparente para luz amarilla y roja, utilizado como sustrato para GaAsP LEDs rojo/amarillo. Dopado con S o Te para tipo n, con Zn para tipo p. GaP puro emite GaP verde y dopado de nitrógeno emite GaP verde amarillo y ZnO emite rojo.
II-VI	2	Sulfuro de cadmio	CdS	2.42	directa	Se utiliza en fotoresistores y células solares; CdS/Cu₂S fue la primera célula solar eficiente. Usado en células solares con CdTe. Común como puntos cuánticos. Los cristales pueden actuar como láseres de estado sólido. Electroluminescente. Cuando se dopa, puede actuar como un fósforo.
II-VI, óxido	2	óxido de zinc	ZnO	3.37	directa	Fotocatalítica. La brecha de banda es afinable de 3 a 4 eV por aleación con óxido de magnesio y óxido de cadmio. El dopaje intrínseco tipo n, tipo p es difícil. El dopaje de aluminio pesado, indio o gallium produce recubrimientos conductivos transparentes; ZnO:Al se utiliza como recubrimientos de ventanas transparentes en región infrarroja visible y reflectante y como películas conductivas en pantallas LCD y paneles solares como reemplazo de óxido de estaño indio. Resistente al daño por radiación. Posible uso en LEDs y diodos láser. Posible uso en láseres aleatorios.
II-VI	2	Zinc selenide	ZnSe	2.7	directa	Usado para láseres azules y LEDs. Fácil de hacer tipo n, el dopado tipo p es difícil pero se puede hacer con el nitrógeno. Material óptico común en óptica infrarroja.
II-VI	2	Sulfuro de zinc	ZnS	3.54/3.91	directa	Distancia de banda 3.54 eV (cubic), 3.91 (hexagonal). Puede ser dopado tanto tipo n como tipo p. Scintillador/fosforador común cuando se dopa adecuadamente.
II-VI	2	Zinc telluride	ZnTe	2.3	directa	Se puede cultivar en AlSb, GaSb, InAs y PbSe. Se utiliza en células solares, componentes de generadores de microondas, LED azules y láser. Usado en electroópticos. Junto con niobato de litio utilizado para generar radiación de terahertz.
Oxido	2	Oxido de cobre(I)	Cu₂O	2.17		Uno de los semiconductores más estudiados. Muchas aplicaciones y efectos lo demostraron primero. Antes utilizado en diodos rectificadores, antes del silicio.
Oxido	2	Dióxido de tinta	SnO₂	3.7		semiconductor de tipo nítido de oxígeno. Se utiliza en sensores de gas y como conductor transparente.
Capa	2	Gallium selenide	GaSe	2.1	indirectas	Fotoconductor. Usos en óptica no lineal. Usado como material 2D. Es sensible al aire.

propiedades de materiales

Bandgap

La mecánica cuántica da lugar a una serie de niveles distintos de energía de electrones, o bandas , que varían de material a material. Cada banda puede contener un cierto número de electrones; Si el átomo tiene más electrones, entonces se ven obligados a bandas de mayor energía. En presencia de energía externa, algunos de los electrones ganarán energía y retrocederán hacia arriba las bandas de energía, antes de liberarla y volver a caer a una banda inferior. Con la aplicación constante de energía externa, como la energía térmica presente a temperatura ambiente, se alcanza un equilibrio donde la población de electrones que se mueven hacia arriba y hacia abajo de las bandas es igual.

Dependiendo de la distribución de las bandas de energía, y el " Band Gap " Entre ellos, los materiales tendrán propiedades eléctricas muy diferentes. Por ejemplo, a temperatura ambiente, la mayoría de los metales tienen una serie de bandas parcialmente llenas que permiten agregar o eliminar electrones con poca energía aplicada. Cuando se empacan bien, los electrones pueden moverse fácilmente del átomo al átomo, haciéndolos directores excelentes. En comparación, la mayoría de los materiales plásticos tienen niveles de energía ampliamente espaciados que requieren una energía considerable para mover electrones entre sus átomos, lo que los convierte en aislantes naturales. Los semiconductores son aquellos materiales que tienen ambos tipos de bandas, y a temperaturas operativas normales, algunos electrones están en ambas bandas.

En semiconductores, agregar una pequeña cantidad de energía empuja más electrones a la banda de conducción , lo que los hace más conductor y permite que la corriente fluya como un conductor. La inversión de la polaridad de esta energía aplicada empuja los electrones a las bandas más separadas, haciéndolos aisladores y deteniendo el flujo. Dado que la cantidad de energía necesaria para empujar los electrones entre estos dos niveles es muy pequeña, los semiconductores permiten cambiar con muy poca entrada de energía. Sin embargo, este proceso de conmutación depende de que los electrones se distribuyan naturalmente entre los dos estados, por lo que las entradas pequeñas hacen que las estadísticas de población cambien rápidamente. A medida que cambia la temperatura externa, debido a la distribución de Maxwell -Boltzmann, cada vez más electrones normalmente se encontrarán en un estado u otro, lo que hace que la acción de conmutación ocurra por sí sola, o se detengan por completo.

El tamaño de los átomos y el número de protones en el átomo son los predictores principales de la fuerza y el diseño de los pandas de banda. Los materiales con pequeños átomos y fuertes enlaces atómicos están asociados con amplios gatos de banda. Con respecto a los compuestos III-V, los nitruros están asociados con los más grandes de banda. Los bandas de banda se pueden diseñar mediante aleación, y la ley de Vegard afirma que existe una relación lineal entre la constante de la red y la composición de una solución sólida a temperatura constante. La posición del mínimo de la banda de conducción versus los máximos en la estructura de la banda determina si una banda de banda es directa o indirecta, donde los materiales directos de banda de banda absorben la luz fuertemente, y los angas de banda indirectos se absorben menos fuertemente. Del mismo modo, el material de banda de banda directo emite luz fuertemente, mientras que el semiconductor de banda de banda indirecto son emisores de luz deficientes, a menos que se agregan dopantes que se paran fuertemente a la luz.

Propiedades ópticas

La conexión entre la longitud de onda y el BandGAP es que la energía del BandGAP es la energía mínima que se necesita para excitar un electrón en la banda de conducción. Para que un fotón no asistido cause esta excitación, debe tener al menos tanta energía. En el proceso opuesto, cuando los pares de electrones excitados sufren recombinación, los fotones se generan con energías que corresponden a la magnitud del BandGAP.

El BandGAP determina la longitud de onda en la que los LED emiten la luz y la longitud de onda en la que los fotovoltaicos funcionan de manera más eficiente. Por lo tanto, los dispositivos de banda ancha son útiles a longitudes de onda más cortas que otros dispositivos semiconductores. El BANDGAP para GaAs de 1.4 eV, por ejemplo, corresponde a una longitud de onda de aproximadamente 890 nm, que es luz infrarroja (la longitud de onda equivalente para la energía de la luz se puede determinar dividiendo la constante 1240 nm-EV por la energía en EV, por lo que 1240 NM-EV/1.4 eV = 886 nm). Dado que la mayor eficiencia se produciría a partir de una célula fotovoltaica con capas sintonizadas a las diferentes regiones del espectro solar, las células solares multijunción modernas tienen múltiples capas con diferentes bandas de banda, y los semiconductores de banda ancha son un componente clave para recolectar la parte de El espectro más allá del infrarrojo.

El uso de LED en aplicaciones de iluminación depende particularmente del desarrollo de semiconductores de nitruro de banda ancha.

campo de desglose

La ionización de impacto a menudo se atribuye como la causa de la descomposición. En el punto de descomposición, los electrones en un semiconductor están asociados con suficiente energía cinética para producir portadores cuando chocan con átomos de celosía.

Los semiconductores de manguito ancho están asociados con un alto voltaje de descomposición. Esto se debe a un campo eléctrico más grande requerido para generar portadores a través del impacto.

En campos eléctricos altos, la velocidad de deriva satura debido a la dispersión de fonones ópticos. Una energía de fonón óptico más alta da como resultado menos fonones ópticos a una temperatura particular, y por lo tanto, hay menos centros de dispersión, y los electrones en semiconductores de banda ancha pueden lograr altas velocidades máximas.

La velocidad de deriva alcanza un pico en un campo eléctrico intermedio y se somete a una pequeña caída en campos más altos. La dispersión de intervalley es un mecanismo de dispersión adicional en campos eléctricos grandes, y se debe a un cambio de portadores desde el valle más bajo de la banda de conducción a los valles superiores, donde la curvatura de la banda inferior aumenta la masa efectiva de los electrones y reduce la movilidad electrones. La caída en la velocidad de deriva en campos eléctricos altos debido a la dispersión de intervalley es pequeña en comparación con la alta velocidad de saturación que resulta de una baja dispersión de fonones ópticos. Por lo tanto, existe una velocidad general de saturación más alta.

Propiedades térmicas

El silicio y otros materiales comunes tienen una banda de banda del orden de 1 a 1.5 Electronvolt (EV), lo que implica que tales dispositivos semiconductores pueden controlarse por voltajes relativamente bajos. Sin embargo, también implica que se activan más fácilmente por la energía térmica, que interfiere con su funcionamiento adecuado. Esto limita los dispositivos a base de silicio a temperaturas operativas por debajo de aproximadamente 100 ° C, más allá de los cuales la activación térmica no controlada de los dispositivos les dificulta operar correctamente. Los materiales de banda ancha generalmente tienen bandas de banda del orden de 2 a 4 eV, lo que les permite operar a temperaturas mucho más altas del orden de 300 ° C. Esto los hace muy atractivos en aplicaciones militares, donde han visto una buena cantidad de uso.

Las temperaturas de fusión, los coeficientes de expansión térmica y la conductividad térmica pueden considerarse propiedades secundarias que son esenciales en el procesamiento, y estas propiedades están relacionadas con la unión en materiales de banda ancha. Los enlaces fuertes dan como resultado temperaturas de fusión más altas y coeficientes de expansión térmica más bajas. Una alta temperatura de Debye da como resultado una alta conductividad térmica. Con tales propiedades térmicas, el calor se elimina fácilmente.

aplicaciones

Aplicaciones de alta potencia

El alto voltaje de descomposición de semiconductores de banda ancha es una propiedad útil en aplicaciones de alta potencia que requieren grandes campos eléctricos.

Se han desarrollado

dispositivos para aplicaciones de alta potencia y alta temperatura. Tanto el nitruro de galio como el carburo de silicio son materiales robustos adecuados para tales aplicaciones. Debido a su robustez y facilidad de fabricación, se espera que los semiconductores de carburo de silicio se utilicen ampliamente, creando una carga de eficiencia más simple y más alta para los vehículos híbridos y totalmente eléctricos, reduciendo la pérdida de energía, construyendo conversores de energía solar y eólica de más duración, y eliminando Transformadores de subestación de cuadrícula voluminosos. También se usa nitruro de boro cúbico. La mayoría de estos son para aplicaciones especializadas en programas espaciales y sistemas militares. No han comenzado a desplazar al silicio de su lugar principal en el mercado general de semiconductores de poder.

diodos emisores de luz

Los LED blancos con las características de más brillo y vida más larga han reemplazado las bombillas incandescentes en muchas situaciones. La próxima generación de jugadores de DVD (los formatos de DVD Blu-ray y HD) usa láseres Violet basados en GaN.

transductores

Los grandes efectos piezoeléctricos permiten que los materiales de banda ancha se usen como transductores.

Transistor de modificación de alta mobilización de electrones

GaN de muy alta velocidad utiliza el fenómeno de las densidades de alta interfaz de interfaz.

Debido a su costo, el nitruro de aluminio se usa hasta ahora principalmente en aplicaciones militares.

importantes semiconductores de banda ancha

Nitruro de aluminio
Nitruro de hierro, h-BN y c-BN pueden formar UV-LEDs.
Diamante
Nitruro de calcio
Carburo de silicona
Dióxido de silicona

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