Semiconductores

Semiconductores

Introducción

Desde los tiempos en que los griegos comenzaron a preguntarse sobre todos los aspectos de la vida y sus contenidos, el hombre ha intentado clasificar la materia y sus propiedades, en un afán por “entender” la realidad en la que se encuentra. Con esa misma motivación, pero con grandes avances tecnológicos y científicos, hoy en día existe una vasta clasificación de la materia. Una de estas clasificaciones, en las que nos enfocaremos en el presente trabajo, son los semiconductores.

Los semiconductores han tenido un impacto impresionante en nuestra sociedad. Estos se encuentran en cada microprocesador y transistor, que componen las maquinas que vemos día a día. Cualquier cosa computarizada o que use ondas de radio depende de los semiconductores.

La mayoría de los chips y transistores (semiconductores) son creados en base al silicio. De este hecho se derivan expresiones como “Silicon Valley” y “economía de silicio”. Lo cierto es que este elemento ha adquirido gran importancia en la electrónica actual, y por ende, en la tecnología.

Un diodo es el dispositivo semiconductor más simple, y por lo tanto es un excelente punto de partida si se quiere entender cómo funcionan los semiconductores. Antes de entrar a profundidad en cómo funciona un semiconductor, veamos un poco más de cerca las características del silicio.

El silicio es un elemento muy común, por ejemplo, es el elemento principal en la arena y el cuarzo. En la tabla periódica se encuentra al lado del aluminio, por debajo y por encima del carbón y germanio.

El carbón, silicio y germanio (el germanio también es semiconductor) tienen una propiedad única en su estructura de electrones: cada uno tiene cuatro electrones en su órbita externa. Esto les permite formar cristales. Los cuatro electrones forman enlaces covalentes perfectos con cuatro átomos vecinos, creando una celda cristalina. En el silicio, la forma cristalina es una sustancia plateada de aspecto metálico.

Los metales tienden a ser buenos conductores de la electricidad, ya que por lo general tienen "electrones libres" que pueden moverse con facilidad entre los átomos, y la electricidad implica el flujo de electrones. Sin embargo el silicio no es un metal, a pesar de que lo aparenta por su aspecto. Todos los electrones externos en un cristal de silicio están implicados en enlaces covalentes perfectos, por lo que no pueden moverse. Un cristal de silicio puro es casi un aislante: muy poca electricidad fluye a través de él.

Esta propiedad del silicio puede ser cambiada mediante un proceso llamado dopaje.

Tipos de Semiconductores

Los semiconductores se clasifican principalmente en dos categorías: intrínsecos y extrínsecos. Un material semiconductor intrínseco es químicamente muy puro y posee mala conductividad. Tiene el mismo número de portadores negativos (electrones) y portadores positivos (huecos). Por otra parte, un semiconductor extrínseco es un semiconductor intrínseco mejorado con una pequeña cantidad de impurezas añadidas por un proceso conocido como dopaje, que altera las propiedades eléctricas de los semiconductores y mejora su conductividad. La introducción de impurezas en los materiales semiconductores (proceso de dopaje) puede controlar su conductividad. El proceso de dopaje produce dos grupos de semiconductores: el conductor de carga negativa (tipo n) y el conductor de carga positiva (tipo p). Los semiconductores pueden ser elementos puros o compuestos. Algunos semiconductores compuestos incluyen InSb, InAs, Gap, GaSb, GaAs, SiC, GaN. La ventaja de los semiconductores compuestos es que proporcionan una amplia gama de “gaps” de energía y movilidad, por lo que los materiales están disponibles con propiedades que cumplen los requisitos específicos. Algunos de estos semiconductores son llamados semiconductores de banda prohibida ancha (wide band gap semiconductors).

Teoría de Bandas en Sólidos

Anteriormente se han usado términos como “gap” o “banda prohibida”, para lo cual es necesario introducir una teoría que ha sido propuesta para entender científicamente la diferencia entre semiconductores, aislantes y conductores. Esta teoría es la Teoría de Bandas en Sólidos.

Debido al acoplamiento entre las capas más exteriores de electrones de los átomos, la mecánica cuántica determina que sus niveles de energía están próximos entre sí y forman una banda de energía.

En otras palabras, en un sólido los átomos se encuentran empacados muy cerca unos de otros de tal forma que los niveles energéticos de cada átomo se ven afectados por los de los átomos vecinos,

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