Física del estado sólido

Un defecto cristalino es cualquier perturbación en la periodicidad de la red de un sólido cristalino. El cristal perfecto es un modelo ideal, en el que las diferentes especies (ya sean moléculas, iones u átomos neutros) están colocados de forma periódica y regular, extendiéndose hasta el infinito. En la realidad, cualquier cristal presenta defectos en este modelo ideal, empezando por el hecho de que no hay cristales infinitos.

Son estos defectos cristalinos los que dan las propiedades más interesantes de la materia, como la deformación plástica, la resistencia a la rotura, la conductividad eléctrica, el color, la difusión...

DEFECTOS ESTRUCTURALES DE LOS CRISTALES

No existen, obviamente, cristales absolutamente perfectos. La periodicidad de la red se ve rota, aparte de por la finitud del cristal, por la presencia de defectos que se generan en el crecimiento del cristal y/o los procesos tecnológicos que sufre el material
hasta convertirse en un circuito integrado.

Por otro lado no es factible la realización del cristal de pureza 100%, ni es interesante para la Electrónica, como veremos. Brevemente, los defectos estructurales pueden clasificarse en:

Defectos puntuales

Corresponden a desviaciones de la situación ideal que afectan a las bases cristalinas y/o los puntos reticulares.

Como defectos puntuales de naturaleza meramente estructural o cristalográfica están las lagunas o vacantes (también llamados defectos Schottky) y los defectos intersticiales, que se producen por la ausencia de un átomo de su punto reticular o por la presencia de un átomo en un lugar del cristal que no es un punto reticular, respectivamente.

La asociación de una laguna y un intersticial se conoce con el nombre de defecto de Frenkel (Fig. 1.8).

Las lagunas y los intersticiales son una consecuencia de la energía (de vibración) de la red, que aumenta con la temp eratura. La concentración de lagunas o intersticiales puede expresarse, en una forma simple, a través de una ley del tipo de Arrhenius, en la forma

donde Ea es la energía de activación de la formación de la laguna o el intersticial. El factor pre-exponencial para los semiconductores simples puede ser considerado como la densidad atómica del material. En la Tabla 1.2 se dan algunos valores de estos parámetros. Es muy fácil calcular el insignificante número de este tipo de defectos a la temp eratura ambiente.

Figura 1.8.- Defectos puntuales

TABLA 1.2.- Parámetros de defectos puntuales

Tipo de defecto	Factor pre-exponencial, N0 (cm-3)	Energía de activación Ea (eV)
Laguna en Silicio	5.02 10 22	2.6
Intersticial en Silicio	5.02 10 22	4.5
Laguna de galio en AsGa	3.3 10 18	0.4
Laguna de arsénico en AsGa	2.2 10 20	0.7

A estos defectos hay que añadir, y para los semiconductores binarios, ternarios …, los llamados defectos de antisitio o antiestructurales que corresponden a situaciones en las que un sitio de un átomo está ocupado por otro de naturaleza distinta (por ejemplo, en lugar de un átomo de Galio, hay uno de Arsénico).

Finalmente y de naturaleza puntual es también el defecto creado por la presencia de impurezas que pueden ocupar un lugar sustitucional o intersticial. Y también formar complejos o asociaciones con otros defectos puntuales. Las impurezas, dada su naturaleza diferente de la del cristal, se conocen también como defectos extrínsecos, por contraposición a los otros o intrínsecos.

1.4.2.- Defectos bidimensionales

Son defectos asociados a la estructura y organización de los planos reticulares. Principalmente están constituidos por las dislocaciones, los defectos de apilamiento (stacking faults), los planos de simetría (twins) y los defectos de deslizamiento.

Las dislocaciones son defectos asociados a la presencia de planos reticulares anómalos en el cristal, tanto por su ubicación como por su orientación. En la Fig.1.9 se representan las dislocaciones de tornillo, de borde y de acoplo. En el primer caso se ha producido un desplazamiento progresivo de parte del cristal. En el segundo un nuevo plano cristalino se ha insertado a partir de una determinada posición. Las dislocaciones de acoplo se producen en heteroestructuras cuando se realiza la unión de dos materiales diferentes en los que, obviamente, los parámetros reticulares no coinciden.

Su principal fuente de formación es la tensión termomecánica del cristal durante el crecimiento. Pero también pueden producirse por acumulación de defectos puntuales. Cuando la temperatura es elevada, la energía del cristal puede desplazar los átomos del mismo en el entrono de la dislocación. Esto genera el movimiento de las mismas y/o la modificación de su tamaño y estructura.

Hoy es posible encontrar cristales "libres" de dislocaciones (<500 11.3="" adelante="" cm2="" como="" crecidos="" cristales="" czochralski="" de="" dislocaciones="" el="" en="" fusi="" m="" n="" p="" por="" que="" s="" tanto="" todo="" veremos="" z="" zonas="">

También existen, asociados a planos reticulares, defectos de apilamiento (stacking faults). En la Fig. 1.10a se muestra un corte (1,1,0) de capas apiladas en la dirección <1> . Hay seis (tres dobles) capas atómicas de diferente configuración; luego, el cristal se repite. En una región localizada del cristal existe un error de apilamiento cuando desaparece un plano atómico de una doble cara junto con el adyacente de otra (por ejemplo los planos marcados con Aa, Bb o Cc), como se ve en la Figura 1.10b: Se genera una doble capa que es diferente de las otras del cristal. Nótese que una dislocación correspondería a la inclusión de una capa doble del tipo Ab.

Figura 1.9.- Dislocaciones de tornillo (a), de borde (b) y de acoplo (c)

Figura 1.10.- Defectos de apilamiento intrínseco (Intrinsic stacking faults)

Este defecto de apilamiento se conoce como intrínseco (ISF). A veces, aparece un plano“extra” en un proceso inverso al anterior. Entonces el defecto y el plano se conocen como extrínsecos (ESF).

Los "twins" o planos de simetría (también, planos de composición) se generan por el cambio de orientación del cristal a partir de ellos. En la Fig. 1.11 se muestra esquemáticamente esta situación, que puede producirse por un simple desplazamiento de los átomos del cristal, en la que puede verse que parte del cristal resulta simétrico con relación al anterior.

Finalmente y por la semejanza en lo que estamos exponiendo debemos mencionar los defectos de deslizamiento, que se representan en la Fig. 1.12. En el caso ideal, una parte del cristal desliza sobre otra a lo largo del plano de deslizamiento y no aparecen otros defectos. Pero con bastante frecuencia no toda una parte desliza, sino solo una fracción de ella, lo que produce tensiones y finalmente dislocaciones y otros defectos.

Figura 1.11.- Panos de simetría (twins)

Figura 1.12.- Deslizamientos

A veces aparecen microdefectos que pueden considerarse como lazos de dislocaciones de tamaño muy pequeño (entre 500Å y 3mm). Aparecen generalmente en la superficie de la oblea. Su naturaleza no está muy clara, pero pudieran estar asociados a precipitados de asociaciones heterogéneas de átomos intersticiales de semiconductor y carbono u oxígeno. O también de otras impurezas.

1.4.3.- Defectos superficiales

Cuando los defectos se extienden a una superficie importante del cris tal, se llaman defectos superficiales. Principalmente son las fronteras de grano y las superficies laterales. Las primeras separan dos zonas del cris tal que no guardan relación en su orientación cristalográfica y que reciben el nombre de granos y son inclusiones de microcristales en el monocristal.

Las segundas son las superficies que limitan el cristal finito y que presentan, en el mejor de los casos, enlaces atómicos rotos y una ruptura de la periodicidad del cristal. En los capítulos que siguen tendremos ocasión de ver la importancia de los elementos de simetría de los cristales y, en particular, la de la periodicidad. Todos los defectos, de una forma o de otra, rompen esta periodicidad. Y, muy principalmente, las superficies laterales (un cristal perfectamente periódico debería ser infinito).

Los defectos cambian, en mayor o menor medida, las propiedades del cristal y su importancia en los aspectos electrónicos de los semiconductores es diferente. Los defectos asociados a las impurezas son necesarios e imprescindibles cuando pueden ser controlados, porque son defectos que generalmente demuestran una actividad eléctrica, capturando o emitiendo electrones. Es decir son capaces de aparecer como centros cargados en el cristal. Este comportamiento también está asociado a algunos defectos puntuales extrínsecos como las lagunas. En cambio otros defectos no exhiben actividad eléctrica. Pero todos, de una manera u otra interfieren en el proceso de la conducción eléctrica y en algunos casos en la tecnología de fabricación de dispositivos y circuitos, variando la cinética del proceso y disminuyendo su rendimiento. De ahí el interés de controlar la calidad del material.