Evolución y funciones del semiconductor

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Los semiconductores son materiales que tienen una conductividad que está entre la de los conductores (generalmente metales) y los no conductores o aislantes. Los semiconductores pueden ser elementos puros como el silicio o el germanio, o compuestos como el arseniuro de galio o seleniuro de cadmio. En un proceso denominado dopaje, se añaden pequeñas impurezas a los semiconductores causando grandes cambios en la conductividad del material. 

Debido a su papel en la fabricación de dispositivos electrónicos, los semiconductores forman parte esencial de la vida diaria. Sin ellos, no existirían las radios, los televisores, los ordenadores ni los videojuegos; además, los equipos médicos serían de menor calidad. 

Aunque muchos equipos electrónicos pueden usar tubos de vacío, el desarrollo de la tecnología de los semiconductores en los últimos cincuenta años ha conseguido que los equipos electrónicos sean más pequeños, más rápidos y más seguros.

Tipos de materiales semiconductores

Los distintos tipos de semiconductores diferentes tienen propiedades que permiten aplicaciones diversas. Algunos se emplean para aplicaciones de señal estándar, otros para amplificadores de alta frecuencia; mientras, otros semiconductores pueden usarse en aplicaciones de energía y para emitir luz. Todas estas diferentes aplicaciones tienden a utilizar distintos tipos de materiales semiconductores. 

Los semiconductores se clasifican en dos grupos básicos que se pueden usar para definir los diferentes tipos: 

  • Semiconductores intrínsecos: estos semiconductores están hechos con materiales completamente puros químicamente. Como resultado, poseen una baja conductividad y tienen muy pocos portadores de carga (electrones); los portadores normalmente son huecos en donde los electrones se pueden colocar y desplazar. 
  • Semiconductores extrínsecos: al material de estos semiconductores se le añade una pequeña impureza, normalmente un semiconductor que previamente era intrínseco. Esto se denomina «dopaje», donde se añade un elemento diferente de la tabla periódica; de esta manera se añaden impurezas con elementos que tengan más o menos electrones en la capa de valencia el elemento que forma el semiconductor. Hay dos subdivisiones de semiconductores.
    • Tipo-n: un semiconductor tipo N tiene un exceso de electrones. Por ello, los electrones libres están disponibles dentro de las redes y su movimiento general en una dirección bajo la influencia de diferencia de potencial resulta en un flujo de corriente eléctrica. En este tipo de semiconductores, los portadores de carga son los electrones.
    • Tipo-p: en un conductor tipo P hay escasez de electrones y, por lo tanto, hay vacíos en la red cristalina. En este caso, los electrones se pueden mover entre posiciones vacías. Este movimiento puede tener lugar bajo la influencia de una diferencia de potencial y se puede ver que los agujeros fluyen en una dirección, lo que da como resultado un flujo de corriente eléctrica. En realidad, es más difícil que los huecos se muevan que los electrones libres, por lo que la movilidad de los huecos es menor que la de los electrones libres. Los agujeros son portadores cargados positivamente.

Elementos semiconductores

Los materiales semiconductores usados más comúnmente son sólidos inorgánicos cristalinos. Estos materiales se clasifican de acuerdo con su posición o grupo dentro de la tabla periódica. Estos grupos se determinan por los electrones en su órbita más externa de elementos particulares.

Aunque la mayoría de los semiconductores son materiales inorgánicos, un gran número de materiales orgánicos también se usan como semiconductores.

El silicio (grupo IV), semiconductor puro, es un elemento tetravalente: la estructura cristalina normal contiene 4 enlaces covalentes de cuatro electrones de valencia. En el silicio, los dopantes más comunes son los elementos del grupo III y del grupo V. Los elementos del grupo III (trivalentes) contienen tres electrones de valencia, lo que hace que funcionen como aceptores cuando se usan para dopar silicio. Cuando un átomo aceptor reemplaza un átomo de silicio tetravalente en el cristal, se crea un estado vacante (un agujero de electrones). La falta de un electrón en una posición o hueco, en la red atómica, es uno de los dos tipos de portadores de carga responsables de crear corriente eléctrica en materiales semiconductores. Estos agujeros cargados positivamente pueden moverse de un átomo a otro en materiales semiconductores a medida que los electrones abandonan sus posiciones. La adición de impurezas trivalentes como boro, aluminio o galio a un semiconductor intrínseco crea estos agujeros de electrones positivos en la estructura. 

Un cristal de silicio (grupo IV) dopado con boro (grupo III) crea un semiconductor de tipo p (deficiente en electrones), mientras que un cristal dopado con fósforo (grupo V) da como resultado un semiconductor de tipo n (exceso de electrones).

Los electrones de conducción están completamente dominados por la cantidad de electrones donantes.

Propiedades eléctricas

A bajas temperaturas, los electrones en un semiconductor están fijos en sus respectivas bandas; por ende, no conducen la electricidad. A temperaturas más altas, la vibración térmica puede romper algunos de los enlaces covalentes para producir electrones libres que pueden participar para conducir la corriente.

Cuando un electrón se desplaza del lugar donde se encuentra enlazado, hay una vacante de electrones asociada con ese enlace. Esta vacante se puede llenar con un electrón vecino, lo que da como resultado un cambio de la ubicación de la vacante de un sitio del cristal a otro. Esta vacante puede considerarse como una partícula ficticia, denominada “agujero”, la cual lleva una carga positiva y se mueve en una dirección opuesta a la de un electrón.

Cuando se aplica un campo eléctrico al semiconductor, tanto los electrones libres (que ahora se sitúan en la denominada banda de conducción) como los huecos (que quedan en la banda de valencia) se mueven a través del cristal, produciendo una corriente eléctrica. La conductividad eléctrica de un material depende del número de electrones libres y huecos (portadores de carga) por unidad de volumen, así como de la velocidad a la que se mueven estos portadores bajo la influencia de un campo eléctrico.

En un semiconductor intrínseco hay un número igual de electrones libres y huecos. Los electrones y los huecos, sin embargo, tienen movilidades diferentes; es decir, se mueven con diferentes velocidades en un campo eléctrico. Las movilidades de electrones y huecos en un semiconductor particular generalmente disminuyen con el aumento con el aumento de temperatura.

La conducción eléctrica en semiconductores intrínsecos es bastante pobre a temperatura ambiente. Para producir una mayor corriente, se pueden introducir intencionalmente impurezas, que es lo que se ha visto anteriormente, proceso que se denomina «dopaje».

Lista de materiales semiconductores

  • Germanio (Ge)

El germanio se encuentra en el grupo IV de la tabla periódica. Este material se utilizó en los primeros dispositivos, los cuales iban desde diodos hasta transistores. Los diodos muestran un coeficiente de temperatura y una conductividad inversa más alta para que los primeros transistores puedan experimentar una fuga térmica. Proporciona una movilidad superior del portador de carga en comparación con el silicio.

  • Silicio (Si)

Este elemento del grupo IV de la tabla periódica es el que se usa más frecuentemente como semiconductor. El silicio es muy simple de fabricar y ofrece las mejores propiedades mecánicas y eléctricas. Cuando se utiliza en circuitos integrados, se forma dióxido de silicio. Este óxido es de buena calidad para crear capas de aislamiento y, a su vez, se emplea en los diferentes dispositivos electrónicos que lo precisan para su montaje.

  • Arseniuro de galio (GaAs)

El semiconductor de arseniuro de galio es segundo material más utilizado y es un compuesto constituido por elementos de los grupos III-V de la tabla periódica. Se utiliza ampliamente en dispositivos donde se precisa la alta movilidad de electrones de este elemento. Este material tiene menos movilidad en comparación con el silicio. También es bastante complejo de fabricar, por lo que su uso aumenta el precio de los dispositivos.

  • Carburo de silicio (SiC)

El carburo de silicio es un material compuesto de elementos del grupo IV de la tabla periódica. Estos elementos se usan en dispositivos en los que las pérdidas de potencia son considerablemente menores y con altas temperaturas de funcionamiento en comparación con los dispositivos basados ​​en Si. Este material tiene una capacidad de descomposición diez veces superior a la del silicio. El carburo de silicio se utiliza en luces LED de color azul y amarillo.

  • Nitruro de galio (GaN)

El material de nitruro de galio o GaN es un compuesto de elementos de los grupos III-V en la tabla periódica. Se usa más ampliamente en transistores de microondas donde se requieren potencias y temperaturas máximas; también se usa en circuitos integrados de microondas. Este material semiconductor es difícil de dopar para proporcionar regiones de tipo p y también responde a las descargas electrostáticas, pero no es muy sensible a la radiación ionizante. Este material se ha utilizado en LEDs de color azul.

  • Fosfuro de galio (GaP)

El material semiconductor de fosfuro de galio o GaP es un elemento de los grupos III-V en la tabla periódica. Se utiliza en los primeros LED de brillo entre bajo a medio que generan diferentes colores en función de la adición de dopantes. El fosfuro de galio puro GaP genera luz verde, el nitrógeno dopado emite amarillo verdoso y el ZnO dopado emite color rojo.

  • Sulfuro de cadmio (CdS)

El material semiconductor de sulfuro de cadmio o CdS es un compuesto de elementos de los grupos II-VI en la tabla periódica. Este material se utiliza en células solares y fotorresistores.

  • Sulfuro de plomo (PbS)

El material semiconductor de sulfuro de plomo o PbS es un elemento del grupo IV-VI en la tabla periódica, utilizado en los primeros detectores de radio, donde se diseñaba un contacto de punta mediante el uso de un cable delgado en la galena para dar señales de rectificación.

Referencias

Electronics Notes (2022). Semiconductor Materials: Types Groups Classifications. Recuperado el 19 de marzo de 2022 de https://www.electronics-notes.com/articles/basic_concepts/conductors-semiconductors-insulators/semiconductor-materials-types-groups.php

Semiconductor – The p-n junction. (2022). Recuperado el 29 de marzo de 2022 de https://www.britannica.com/science/semiconductor/The-p-n-junction

Semiconductor Material: Types, List, Advantages & Disadvantages. (2022). Recuperado el 29 de marzo de 2022 de https://www.elprocus.com/semiconductor-material/

What is a semiconductor? (2022). Recuperado el 29 de marzo de 2022 de https://depts.washington.edu/matseed/mse_resources/Webpage/semiconductor/semiconductor.htm

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Laura Benítez (MEd)
(Licenciada en Química. Master en Educación) - AUTORA. Profesora de Química (Educación Secundaria). Redactora científica.

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