10.5 : Conceptos básicos de semiconductores

La generación de corriente eléctrica en semiconductores está impulsada fundamentalmente por dos mecanismos: deriva y difusión. Estos procesos son esenciales para la funcionalidad y el rendimiento de los dispositivos basados ​​en semiconductores.

Corriente de deriva:

La deriva de los portadores de carga se inicia mediante un campo eléctrico externo (E). Las partículas cargadas, como los electrones y los huecos, experimentan una aceleración entre colisiones con los átomos de la red. Para los electrones, esto da como resultado una velocidad de deriva (v_d) dada por:

Donde μ_e es la movilidad de los electrones y E es la intensidad del campo eléctrico.

La densidad de corriente (J) debida a la deriva de electrones (J_n) y huecos (J_p) se puede expresar como:

Donde q es la carga elemental, n y p, son las concentraciones de electrones y huecos, respectivamente, y μ_n y μ_p son las movilidades de electrones y huecos. La densidad de corriente de deriva total (J_total) es la suma de las densidades de corriente de electrones y huecos:

La conductancia (σ) es entonces la suma de los productos de densidad de carga y movilidad para cada tipo de portador:

Corriente de difusión:

La difusión se produce debido al movimiento térmico de los portadores, moviéndose desde regiones de mayor concentración a regiones de menor concentración. La densidad de corriente (J_difusión) es:

D_n y D_p son los coeficientes de difusión de electrones y huecos, respectivamente, y dn/dx y dp/dx son los gradientes de concentración de electrones y huecos.

Las relaciones de Einstein vinculan la movilidad y el coeficiente de difusión tanto para los electrones como para los huecos:

Donde k es la constante de Boltzmann y T es la temperatura absoluta.

Cuando están presentes tanto un campo eléctrico como un gradiente de concentración, la densidad de corriente total es la suma de los componentes de deriva y difusión. En aplicaciones del mundo real, estos fenómenos se analizan utilizando las ecuaciones de semiconductores, un conjunto de ecuaciones diferenciales que describen el comportamiento de los portadores de carga en un semiconductor.