Química y la sustentabilidad. Semiconductores Inorgánicos

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Instituto Politécnico Nacional

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Unidad Zacatenco (ESIME)

Erick Abraham Núñez Rojano

2CV10

Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica

Química y la sustentabilidad

1.1 Semiconductores Inorgánicos

Los semiconductores inorgánicos son materiales que, a diferencia de los semiconductores orgánicos (basados en carbono), están formados por compuestos que no contienen carbono en su estructura principal. Estos semiconductores son fundamentales en la fabricación de dispositivos electrónicos y optoelectrónicos, debido a sus propiedades electrónicas bien entendidas y su alta estabilidad. Ejemplos típicos incluyen el silicio (Si), el germanio (Ge) y los compuestos basados en elementos de la tabla periódica, como los semiconductores de tipo III-V (GaAs) y II-VI (ZnSe).

1.1.1 Teoría de Bandas (y su estructura)

La teoría de bandas es una descripción fundamental del comportamiento electrónico de los materiales. En ella, los niveles de energía de los electrones en un material se dividen en bandas, que están separadas por un gap de energía (o banda prohibida). Los conceptos clave en esta teoría son:

• Banda de valencia: Es la banda con los electrones más internos en un material. Los electrones en esta banda pueden moverse a través del material si reciben suficiente energía.
• Banda de conducción: Es la banda que está justo por encima de la banda de valencia. Los electrones en esta banda son libres para moverse a través del material, contribuyendo a la conducción eléctrica.
• Gap de energía: Es la diferencia de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción. En los semiconductores, este gap es relativamente pequeño, lo que permite que los electrones se exciten y se muevan hacia la banda de conducción con la energía adecuada.

Para los semiconductores inorgánicos:

• Semiconductores: Tienen un gap de energía pequeño (aproximadamente 1 eV para el silicio) que permite que los electrones se exciten hacia la banda de conducción bajo condiciones de temperatura o iluminación.
• Aislantes: Tienen un gap de energía grande, que impide que los electrones lleguen a la banda de conducción.
• Metales: No tienen gap de energía, lo que les permite tener electrones libres que facilitan la conducción.

1.1.2 Semiconductores Intrínsecos

Los semiconductores intrínsecos son aquellos semiconductores puros, sin ninguna dopadura o impureza añadida. En estos materiales, los electrones se excitan térmicamente desde la banda de valencia hacia la banda de conducción, dejando huecos en la banda de valencia que actúan como cargas positivas. La cantidad de electrones en la banda de conducción y la cantidad de huecos en la banda de valencia son iguales, ya que ambos se crean de manera recíproca.

Las propiedades eléctricas de los semiconductores intrínsecos están determinadas por el material mismo y su temperatura:

• A temperatura ambiente, el silicio (Si), por ejemplo, tiene una pequeña cantidad de electrones en la banda de conducción.
• Su conductividad aumenta con la temperatura, ya que más electrones adquieren suficiente energía para saltar a la banda de conducción.

1.1.3 Semiconductores Extrínsecos (Tipo N y P)

Los semiconductores extrínsecos son aquellos en los que se ha introducido una pequeña cantidad de impurezas o átomos de otro elemento (dopaje) para modificar sus propiedades eléctricas. Dependiendo del tipo de dopante utilizado, los semiconductores extrínsecos se dividen en dos tipos principales: Tipo N y Tipo P.

• Semiconductores Tipo N: En este tipo de dopaje, se introducen impurezas que tienen más electrones de valencia que el semiconductor base (por ejemplo, dopar el silicio con fósforo). Estas impurezas crean electrones libres en la banda de conducción, lo que aumenta la cantidad de electrones disponibles para la conducción eléctrica.

• El dopante tiene un electrón extra en comparación con el silicio.
• El portador mayoritario en un semiconductor de tipo N son los electrones libres.

• Semiconductores Tipo P: Aquí, se introducen impurezas con menos electrones de valencia que el semiconductor base (por ejemplo, dopar el silicio con boro). Este dopaje crea huecos en la banda de valencia, que actúan como cargas positivas y son responsables de la conducción eléctrica.

• El dopante crea huecos, que son sitios donde un electrón podría estar.
• El portador mayoritario en un semiconductor de tipo P son los huecos.

La interacción entre los semiconductores de tipo N y tipo P es fundamental para la fabricación de dispositivos como diodos, transistores y circuitos integrados.

1.1.4 Aplicación de Semiconductores Binarios, Ternarios y de Alta Entropía (Concepto General)

Los semiconductores binarios, ternarios y de alta entropía son clasificaciones que hacen referencia a la cantidad de elementos presentes en la estructura cristalina y sus propiedades resultantes.

• Semiconductores Binarios: Son compuestos formados por dos elementos, como el silicio (Si), el arseniuro de galio (GaAs) y el seleniuro de zinc (ZnSe). Estos semiconductores tienen aplicaciones en dispositivos electrónicos básicos y componentes optoelectrónicos debido a su rendimiento predecible y controlado.

• Aplicaciones típicas incluyen transistores, diodos, y células solares.

• Semiconductores Ternarios: Están formados por tres elementos. Un ejemplo común es el arseniuro de galio-aluminio (GaAlAs), que se utiliza en dispositivos láser y LEDs. Los semiconductores ternarios permiten una mayor tunabilidad en las propiedades electrónicas y ópticas al variar la proporción de los tres componentes.

• Se usan en aplicaciones de alta eficiencia como comunicaciones ópticas, energía solar de alta eficiencia y en pantallas LED.

• Semiconductores de Alta Entropía: Son una clase emergente de materiales que están compuestos por una mezcla de varios elementos. Estos semiconductores son altamente desordenados en cuanto a su composición atómica, lo que les otorga propiedades electrónicas y térmicas únicas. El uso de materiales con alta entropía permite diseñar semiconductores con características adaptables y específicas para aplicaciones especializadas.

• Estos materiales tienen un gran potencial para aplicaciones en electrónica avanzada, como sensores y dispositivos de alta eficiencia energética.

1.2 Semiconductores Orgánicos

Los semiconductores orgánicos son materiales basados en carbono que poseen propiedades semiconductoras. A diferencia de los semiconductores inorgánicos (como el silicio y el arseniuro de galio), estos materiales pueden ser sintetizados en diversas estructuras, como moléculas pequeñas, oligómeros y polímeros conjugados. Debido a su flexibilidad, bajo costo de fabricación y capacidad de ser procesados en soluciones, tienen aplicaciones en pantallas OLED, transistores orgánicos y células solares flexibles.

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