¿Qué es Semiconductor?

Un material semiconductor tiene un valor de conductividad eléctrica que se encuentra entre el de un conductor, como el cobre metálico, y el de un aislante, como el vidrio. Su resistividad cae a medida que aumenta su temperatura; los metales se comportan de manera opuesta. Sus propiedades conductoras pueden alterarse de forma útil mediante la introducción de impurezas (\"dopaje\") en la estructura cristalina. Cuando existen dos regiones dopadas de manera diferente en el mismo cristal, se crea una unión semiconductora. El comportamiento de los portadores de carga, que incluyen electrones, iones y huecos de electrones, en estas uniones es la base de los diodos, transistores y la mayoría de los dispositivos electrónicos modernos. Algunos ejemplos de semiconductores son el silicio, el germanio, el arseniuro de galio y los elementos cercanos a la llamada \"escalera metaloide\" en la tabla periódica. Después del silicio, el arseniuro de galio es el segundo semiconductor más común y se usa en diodos láser, células solares, circuitos integrados de frecuencia de microondas y otros. El silicio es un elemento crítico para la fabricación de la mayoría de los circuitos electrónicos.

Los dispositivos semiconductores pueden mostrar una variedad de propiedades útiles, como pasar la corriente más fácilmente en una dirección que en la otra, mostrar resistencia variable y tener sensibilidad a la luz o al calor. Debido a que las propiedades eléctricas de un material semiconductor pueden modificarse mediante el dopaje y la aplicación de campos eléctricos o luz, los dispositivos hechos de semiconductores pueden usarse para amplificación, conmutación y conversión de energía.

Una gran cantidad de elementos y compuestos tienen propiedades semiconductoras, entre ellas:

• l Ciertos elementos puros se encuentran en el grupo 14 de la tabla periódica; los más importantes comercialmente de estos elementos son el silicio y el germanio. El silicio y el germanio se usan aquí de manera efectiva porque tienen 4 electrones de valencia en su capa más externa, lo que les da la capacidad de ganar o perder electrones por igual al mismo tiempo.

• l Compuestos binarios, particularmente entre elementos de los grupos 13 y 15, como arseniuro de galio, grupos 12 y 16, grupos 14 y 16, y entre diferentes elementos del grupo 14, p. carburo de silicio.

• l Ciertos compuestos ternarios, óxidos y aleaciones.

• l Semiconductores orgánicos, hechos de compuestos orgánicos.

• l Estructuras organometálicas semiconductoras.

Materiales semiconductores

Los materiales de estado sólido se agrupan comúnmente en tres clases: aislantes, semiconductores y conductores. (A bajas temperaturas, algunos conductores, semiconductores y aisladores pueden convertirse en superconductores). La figura muestra las conductividades σ (y las resistividades correspondientes ρ = 1/σ) que están asociadas con algunos materiales importantes en cada una de las tres clases. Los aisladores, como el cuarzo fundido y el vidrio, tienen conductividades muy bajas, del orden de 10−18 a 10−10 siemens por centímetro; y los conductores, como el aluminio, tienen conductividades altas, típicamente de 104 a 106 siemens por centímetro. Las conductividades de los semiconductores se encuentran entre estos extremos y generalmente son sensibles a la temperatura, la iluminación, los campos magnéticos y cantidades diminutas de átomos de impurezas. Por ejemplo, la adición de aproximadamente 10 átomos de boro (conocido como dopante) por millón de átomos de silicio puede aumentar su conductividad eléctrica mil veces (lo que explica parcialmente la amplia variabilidad que se muestra en la figura anterior).

El estudio de los materiales semiconductores comenzó a principios del siglo XIX. Los semiconductores elementales son aquellos compuestos de una sola especie de átomos, como el silicio (Si), el germanio (Ge) y el estaño (Sn) en la columna IV y el selenio (Se) y el telurio (Te) en la columna VI de la tabla periódica. Sin embargo, existen numerosos semiconductores compuestos, que se componen de dos o más elementos. El arseniuro de galio (GaAs), por ejemplo, es un compuesto binario III-V, que es una combinación de galio (Ga) de la columna III y arsénico (As) de la columna V. Los compuestos ternarios pueden estar formados por elementos de tres columnas diferentes: por ejemplo, telururo de indio y mercurio (HgIn2Te4), un compuesto II-III-VI. También pueden estar formados por elementos de dos columnas, como el arseniuro de aluminio y galio (AlxGa1 − xAs), que es un compuesto ternario III-V, donde tanto el Al como el Ga son de la columna III y el subíndice x está relacionado con la composición de los dos elementos desde 100 por ciento Al (x = 1) hasta 100 por ciento Ga (x = 0). El silicio puro es el material más importante para las aplicaciones de circuitos integrados, y los compuestos binarios y ternarios III-V son los más importantes para la emisión de luz.

Cómo funcionan los semiconductores

Hoy en día, la mayoría de los chips y transistores semiconductores se crean con silicio. Es posible que haya escuchado expresiones como \"Silicon Valley\" y la \"economía del silicio\", y es por eso que el silicio es el corazón de cualquier dispositivo electrónico.

Un diodo es el dispositivo semiconductor más simple posible y, por lo tanto, es un excelente punto de partida si desea comprender cómo funcionan los semiconductores. En este artículo, aprenderá qué es un semiconductor, cómo funciona el dopaje y cómo se puede crear un diodo usando semiconductores. Pero primero, echemos un vistazo más de cerca al silicio.

El silicio es un elemento muy común; por ejemplo, es el elemento principal en la arena y el cuarzo. Si busca \"silicio\" en la tabla periódica, encontrará que se encuentra junto al aluminio, debajo del carbono y arriba del germanio.

El carbono, el silicio y el germanio (el germanio, como el silicio, también es un semiconductor) tienen una propiedad única en su estructura electrónica: cada uno tiene cuatro electrones en su orbital exterior. Esto les permite formar bonitos cristales. Los cuatro electrones forman enlaces covalentes perfectos con cuatro átomos vecinos, creando una red. En el carbono, conocemos la forma cristalina como diamante. En el silicio, la forma cristalina es una sustancia plateada de aspecto metálico.

En una red de silicio, todos los átomos de silicio se unen perfectamente a cuatro vecinos, sin dejar electrones libres para conducir la corriente eléctrica. Esto hace que un cristal de silicio sea un aislante en lugar de un conductor.

Los metales tienden a ser buenos conductores de la electricidad porque normalmente tienen \"electrones libres\" que pueden moverse fácilmente entre los átomos, y la electricidad implica el flujo de electrones. Si bien los cristales de silicio parecen metálicos, en realidad no son metales. Todos los electrones externos en un cristal de silicio están involucrados en enlaces covalentes perfectos, por lo que no pueden moverse. Un cristal de silicio puro es casi un aislante: muy poca electricidad fluirá a través de él.

Pero todo esto se puede cambiar a través de un proceso llamado dopaje.