SEMICONDUCTORES

SEMICONDUCTORES

Los semiconductores ocupan un lugar prominente en el conjunto de los materiales. Esto se debe al alto grado de desarrollo que se ha alcanzado en el conocimiento de sus propiedades básicas así como también en el de sus aplicaciones. Se puede decir que hoy día los semiconductores son piezas básicas en toda la tecnología electrónica, la cual en los últimos años ha mostrado un crecimiento espectacular, abarcando el campo de los procesadores, las comunicaciones, la robótica, entre otros.

CLASIFICACION DE LOS MATERIALES DESDE EL PUNTO DE VISTA ELECTRICO.

Desde el punto de vista eléctrico, los materiales suelen dividirse en tres categorías atendiendo a su conductividad: conductores, semiconductores y aislantes.

En primer lugar, tenemos que la conductividad es una magnitud sujeta a la influencia de muchos factores, tales como el estado de agregación del material, su estructura cristalina, temperatura, entre otros.

La conductividad es una de las magnitudes físicas que admite mayor espectro de variación. Dejando aparte el caso de los materiales superconductores, la conductividad puede variar en más de 25 órdenes de magnitud a! pasar de los materiales aislantes como el vidrio o los plásticos a los materiales conductores, tales como el cobre o la plata. Esto da lugar a que los diferentes tipos de materiales puedan presentar fenómenos eléctricos muy diversos. Así, en los materiales aislantes las propiedades eléctricas están dominadas por los llamados fenómenos de polarización, esto es la deformación de la nube electrónica que rodea los átomos y las moléculas que componen el material por efecto del campo eléctrico aplicado, formando lo que se llama dipolos eléctricos. Luego, en los materiales conductores, por el contrario, los fenómenos predominantes al aplicar un campo eléctrico son los de conducción, debido al movimiento de electrones libres en el interior del material arrastrados por el campo eléctrico aplicado. Después tenemos, Los semiconductores que forman un grupo de materiales que presenta un comportamiento intermedio entre los conductores y los aislantes. Ahora bien, los semiconductores en estado puro y a temperaturas bajas presentan una conductividad relativamente baja por lo que sus propiedades se asemejan alas de los aislantes. Sin embargo, la conductividad de estos materiales es una función creciente con la temperatura de forma que a la temperatura ambiente la mayoría de los semiconductores presentan una conductividad apreciable, aunque siempre es menor que la de un metal. Incluso a una temperatura dada, es posible variar a voluntad la conductividad de estos materiales si se les añade una cantidad controlada de impurezas de determinados elementos químicos. Es precisamente esta característica la que ha permitido desarrollar una gran variedad de componentes y dispositivos electrónicos basados en los materiales semiconductores.

ESTRUCTURA ELECTRONICA DE LOS MATERIALES SOLIDOS.

Diferencias de comportamiento eléctrico entre unos materiales y otros. Como la mayor parte de las propiedades de estado sólido, estas diferencias están originadas por la diferente composición química y estructura electrónica de enlace de los átomos que forman el material.

Aspectos más esenciales que determinan la estructura de enlace de los materiales.

La estructura electrónica de átomos aislados, esto es sin interacción entre ellos. La mecánica cuántica nos dice que los electrones de los átomos se mueven alrededor del núcleo con una cierta energía que solo puede tomar unos valores bien definidos (orbitales o niveles atómicos). El cálculo de la energía asociada a los niveles atómicos es generalmente complejo, y solo es posible llevarlo a cabo de forma exacta para el átomo de hidrogeno, formado por un protón y un electrón. En este caso, considerando el núcleo en reposo, la energía del electrón ocupando un nivel n viene dada por la expresión:

Donde q es la carga del electrón, m su masa, e la permisividad del vacio y h la constante de Planck. Introduciendo los valores numéricos de estas magnitudes resulta para la energía del nivel n:

En el nivel más bajo (n = 1) la energía vale - 13.6 eV. Este nivel se denomina estado fundamental del átomo de hidrogeno. El signo negativo indica que se trata de energía de enlace, esto es la energía necesaria para sacar el electrón desde el estado fundamental hasta una posición fuera de la influencia del núcleo (a distancias infinitas). Esta energía, que para el hidrogeno es de 13.6 eV, se denomina también energía de ionización. El estado fundamental del electrón representa el estado de energía más baja. Sin embargo el electrón puede ocupar también otros estados de mayor energía (con n >1), denominados estados excitados, cuando recibe energía suficiente mediante algún proceso de excitación (térmica, luminosa, entre otros).

Cuando se trata de moléculas formadas por dos o más átomos, es bien conocido que solamente los electrones de las capas más estemas de cada átomo participan en el enlace interaccionando con el resto de los átomos, mientras que el resto de los electrones sigue unido a sus núcleos respectivos.

En un enlace típicamente covalente, tal como el que presentan muchas moléculas diatónicas homopolares, la interacción de los electrones de enlace con el potencial eléctrico de los dos núcleos atómicos da lugar a un desdoblamiento de los niveles de energía originales de estos electrones. El caso de moléculas aisladas con un cierto numero de átomos unidos entre si mediante enlace covalente es mucho más complejo. Se dice entonces, que en las moléculas simples formadas por N átomos iguales los electrones de las capas más internas se mantienen en sus niveles originales mientras que los electrones de enlace se sitúan en nuevos niveles originados por el desdoblamiento de los últimos niveles atómicos.

El fenómeno del desdoblamiento de los niveles atómicos es completamente general y se presenta también en los sólidos con enlace covalente. Este es el caso de la mayoría de los semiconductores y también de los metales, en los cuales el número de átomos participantes en el enlace es muy elevado (alrededor de 1023 átomos por centímetro cúbico). En estos materiales, la interacción de los electrones de enlace con el conjunto de los N átomos del sólido da lugar al desdoblamiento de los niveles atómicos originales más elevados en un total de N nuevos subniveles.

Por lo tanto, la diferencia de energía entre el subnivel máximo y el mínimo sigue siendo de unos pocos electrón-voltio, por lo que los subniveles individuales se encuentran muy próximos entre si, es decir, separados por una energía extremadamente pequeña, ya que ahora el valor de N es muy elevado.

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