Circuitos Electricos

APLICACIÓN DE LOS SEMICONDUCTORES EN LA ELECTRECIDAD

 Introducción

Sin lugar a dudas, el estudio de las propiedades físicas de los materiales semiconductores y sus sorprendentes aplicaciones en el desarrollo técnico de dispositivos eléctricos, representan una de las revoluciones científico-tecnológicas de mayor impacto sobre nuestra sociedad. Para tener una idea de la real magnitud de esta revolución pensemos por un momento en los transistores, probablemente la aplicación tecnológica más importante de los semiconductores. Cualquier habitante del mundo moderno se encuentra rodeado cotidianamente por millones de transistores. Están en el televisor, en el equipo de música, en la máquina de lavar, en el reloj de pulsera, en el teléfono celular. Un computador personal puede llegar a tener algunos miles de millones de transistores. De hecho, en el mundo existen muchos más transistores que personas. Pero, naturalmente, una cosa es usar esta tecnología y otra muy distinta es entender cómo opera. Este último es el objetivo que persigue este breve artículo. Sin embargo, dada la naturaleza altamente especializada del tema y el reducido espacio disponible para desarrollarlo, siempre que sea posible dejaremos de lado las consideraciones de carácter técnico que obligarían a extender la discusión más allá de lo pertinente.

 Semiconductores extrínsecos

Hasta ahora sólo hemos hablado acerca de materiales semiconductores naturales, los que definimos como aisladores de banda prohibida angosta; ellos reciben el nombre de semiconductores intrínsecos. Sin embargo, existe la posibilidad de diseñar y fabricar materiales con características eléctricas específicas “a la medida” agregando, de manera controlada, impureza a semiconductores. Este proceso de introducción de impurezas extrañas se denomina dopado.

Consideremos los efectos de estas impurezas en el silicio (Si), uno de los semiconductores de uso más frecuente (véase la Figura 3). La configuración electrónica del Si es [Ne]3s 2 3p 2 , de modo que tiene cuatro electrones de valencia. Para fijar ideas, veamos que sucede si remplazamos algunos de los átomos de Si por átomos de fósforo (P) que tienen cinco electrones de valencia y cuya configuración electrónica es [Ne]3s 2 3p3 :

• Por cada átomo de P que se agrega aparece un estado electrónico nuevo y adicional en la banda prohibida. Este nivel se ubica justo por debajo de la banda de conducción del Si.

• Cada átomo de P utiliza cuatro de sus cinco electrones de valencia para formar enlaces con cuatro átomos de Si vecinos, quedando un electrón extra que necesita liberar para alcanzar su configuración más estable de ocho electrones. La energía térmica es suficiente para que el electrón extra sea transferido a la banda de conducción dejando atrás un ión positivo P+ inmóvil.

• Los átomos de P se llaman átomos dadores, y la conductividad eléctrica en este tipo de semiconductores implica fundamentalmente movimiento de electrones procedentes de los átomos dadores a través de la banda de conducción. Este tipo de semiconductores se denomina de tipo-n, donde n se refiera a negativo, el tipo de carga eléctrica que transportan los electrones.

Reemplacemos ahora algunos átomos de Si por átomos de aluminio (Al) cuya configuración electrónica es [Ne]3s2 3p1 de manera que tiene tres electrones de valencia.

• Por cada átomo de Al que se agrega aparece un estado electrónico nuevo que se encuentra justo por encima de la banda de valencia del Si.

• Cada átomo de Al utiliza sus tres electrones de valencia para formar enlaces con tres átomos de Si vecinos. La capa externa del Al tratará de capturar un electrón extra de la banda de valencia para conformar una capa estable de ocho electrones.

• Un electrón se trasfiere con facilidad desde la banda de valencia hasta el nivel aceptor formando un ión negativo inmóvil. Cuando esto ocurre, se crea una vacante positiva en la banda de valencia. Debido a que en este tipo de semiconductores la conductividad eléctrica consiste fundamentalmente en la transferencia de vacantes positivas, se les denomina semiconductores de tipo-p.

Figura 3 En un semiconductor con átomos dadores (por ejemplo P en Si), el nivel dador se encuentra justo por debajo de la banda de conducción. Los electrones ( ) son promocionados fácilmente a la banda de conducción. El semiconductor es de tipo-n. En un semiconductor con átomos aceptores ( por ejemplo Al en Si), el nivel aceptor se encuentra justo por encima de la banda de valencia. Los electrones son promovidos fácilmemnte al nivel aceptor dejando agujeros positivos ( ) en la banda de valencia. El

semiconductor es de tipo-p.

 Aplicaciones de los semiconductores

A partir de la década de 1950, los dispositivos semiconductores -conocidos también como dispositivos de estado sólido- remplazaron los tubos electrónicos de la industria tradicional. Por la enorme reducción de tamaño, consumo de energía y costo, acompañada de una mucho mayor durabilidad y confiabilidad, los dispositivos semiconductores

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