Estructura Cristalina de los Semiconductores

Fundamentos de la Cristalografía en Semiconductores

Estructura Cristalina

Los materiales semiconductores poseen una estructura cristalina a nivel atómico. Estos cristales se componen de bloques idénticos, formados por un átomo o un grupo de átomos, con una distribución periódica bien definida. Este bloque se repite infinitamente y puede ser simple (como en el cobre o el oro) o complejo (como en algunas proteínas). Los semiconductores naturales pertenecen al grupo 4 de la tabla periódica.

Tipos de Sólidos y Celdas Cristalinas

• Cristalino: Presenta una única distribución a lo largo de toda la estructura.
• Policristalino: Presenta más de un orden periódico en la estructura.
• Amorfo: No presenta ningún patrón en la distribución de sus átomos.

Tipos de Celdas

• Celda Unitaria: Pequeño volumen que se utiliza para reproducir el cristal.
• Celda Primitiva: Celdas unitarias más pequeñas que se repiten para formar la estructura cristalina.

Las redes (celdas) definen tres vectores: a₁, a₂ y a₃. Se subdividen en:

• Celda Simple: Generada por los vectores primitivos a_x, a_y, a_z, donde x, y, z son vectores unitarios. Ningún semiconductor natural tiene celdas simples.
• Cúbica Centrada en el Cuerpo: Se genera añadiendo un átomo en el centro de una celda cúbica simple.
• Cúbica Centrada en las Caras: Es la red más importante para el estudio de los semiconductores. Se construye agregando un átomo a cada cara de la celda cúbica simple.

Definiciones

• Planos Cristalinos: Se forman con tres puntos no colineales en la red cúbica cristalina.
• Índices de Miller: Números enteros que describen planos, direcciones y puntos en una red.
• Estructura de Diamante y Zincblenda: La mayoría de los semiconductores de interés en electrónica tienen una red tetraédrica subyacente con dos átomos en su base. Si los átomos son iguales (como en el silicio y el germanio), la estructura es de diamante. Si son diferentes, es de zincblenda.

Tipos de Enlaces Químicos

• Enlace Covalente: Dos átomos comparten electrones para alcanzar el octeto estable.
• Enlace Iónico: Interacción entre átomos con gran diferencia de electronegatividad. Los átomos ganan o pierden electrones.
• Enlace Metálico: Los electrones de enlace están deslocalizados, lo que confiere propiedades como dureza, conductividad y ductilidad.

Defectos de los Cristales

• Hueco: Ausencia de un átomo en un punto de la red.
• Intersticial: Un átomo se ubica entre los sitios de la estructura cristalina.
• Dislocación Lineal: Una fila de átomos pierde la periodicidad.

Impurezas en los Sólidos

• Sustitutos: Átomos extraños que ocupan un sitio normal de la estructura.
• Intersticiales: Átomos que se ubican entre los sitios normales de la estructura.