Lista de Materiales Semiconductores: Tipos y Ejemplos

El precio y la disponibilidad de los materiales semiconductores varían desde el abundante silicio hasta los caros elementos de tierras raras. Las células solares, los transistores de efecto campo, los sensores IoT y los circuitos de los coches autónomos necesitan materiales semiconductores para funcionar. El mundo moderno debe literalmente su existencia a los semiconductores y a los materiales utilizados en su fabricación.

A medida que los materiales semiconductores existentes alcanzan sus limitaciones físicas, nuevos materiales están a punto de ocupar su lugar. El mercado de estos materiales, unido a las nuevas aplicaciones de los semiconductores, está cambiando la fabricación y la adquisición de materiales en toda la industria.

Tabla de Contenidos

¿Qué son los materiales semiconductores?

Los materiales semiconductores son aislantes a temperatura cero absoluta que conducen la electricidad de forma limitada a temperatura ambiente. La propiedad que define a un material semiconductor es que puede doparse con impurezas que alteran sus propiedades electrónicas de forma controlable.

materiales semiconductores ejemplos — Materiales semiconductores

Debido a su aplicación en la industria informática y fotovoltaica -en dispositivos como transistores, láseres y células solares-, la búsqueda de nuevos materiales semiconductores y la mejora de los existentes es un importante campo de estudio en la ciencia de los materiales.

Los materiales semiconductores más utilizados son los sólidos inorgánicos cristalinos. Estos materiales se clasifican según los grupos de la tabla periódica de sus átomos constituyentes.

Los nitruros del grupo III presentan una elevada tolerancia a las radiaciones ionizantes, lo que los hace idóneos para la electrónica endurecida por radiación.

Tipos de materiales semiconductores

Semiconductores elementales del grupo IV, (C, Si, Ge, Sn)
Semiconductores compuestos del grupo IV
Semiconductores elementales del grupo VI, (S, Se, Te)
Semiconductores III-V: Al cristalizar con un alto grado de estequiometría, la mayoría pueden obtenerse tanto de tipo n como de tipo p. Muchos tienen altas movilidades de portadores y brechas de energía directa, lo que los hace útiles para la optoelectrónica.
Semiconductores II-VI: Normalmente de tipo p, excepto ZnTe y ZnO que son de tipo n.
Semiconductores I-VII
Semiconductores IV-VI
Semiconductores V-VI
Semiconductores II-V
Semiconductores I-III-VI2
Óxidos
Semiconductores de capas
Semiconductores magnéticos
Semiconductores orgánicos
Complejos de transferencia de carga
Otros

Lista de materiales semiconductores

Hay muchos tipos diferentes de materiales semiconductores que pueden utilizarse en los dispositivos electrónicos. Cada uno tiene sus propias ventajas, desventajas y áreas en las que puede utilizarse para ofrecer un rendimiento óptimo.

Grupo	Elemento	Material	Formula	Descripción
IV	1	Silicio	Si	Es el material semiconductor más común en la energía fotovoltaica; domina el mercado fotovoltaico mundial; es fácil de fabricar; tiene buenas propiedades eléctricas y mecánicas. Forma óxido térmico de alta calidad para fines de aislamiento. Es el material más común utilizado en la fabricación de circuitos integrados.
IV	1	Germanio	Ge	Utilizado en los primeros diodos de detección de radar y en los primeros transistores; requiere una pureza menor que el silicio. Puede desarrollar filamentos que afectan la fiabilidad de algunos dispositivos.
IV	1	Diamante	C	Excelente conductividad térmica. Propiedades mecánicas y ópticas superiores. Factor de calidad del resonador nanomecánico extremadamente alto.
IV	1	Estaño gris, α-Sn	Sn	Alótropo de baja temperatura (red cúbica de diamante).
IV	2	Carburo de silicio, 3C-SiC	SiC	Utilizada para los primeros LED amarillos
IV	2	Carburo de silicio, 4H-SiC	SiC	Se utiliza para aplicaciones de alto voltaje y alta temperatura.
IV	2	Carburo de silicio, 6H-SiC	SiC	Utilizada para los primeros LED azules
VI	1	Azufre, α-S	S₈
VI	1	Selenio gris (trigonal)	Se	Se utiliza en rectificadores de selenio y células solares. La brecha de banda depende de las condiciones de fabricación.
VI	1	Selenio rojo	Se
VI	1	Telurio	Te
III-V	2	Nitruro de boro, cúbico	BN	Potencialmente útil para los LEDs ultravioleta
III-V	2	Nitruro de boro, hexagonal	BN	Potencialmente útil para los LEDs ultravioleta
III-V	2	Nanotubo de nitruro de boro	BN
III-V	2	Fosfuro de boro	BP
III-V	2	Arseniuro de boro	BAs	Conductividad térmica ultra-alta para gestión térmica; resistente a daños por radiación, posibles aplicaciones en betavoltaica.
III-V	2	Arseniuro de boro	B₁₂As₂	Resistente a daños por radiación, posibles aplicaciones en betavoltaica.
III-V	2	Nitruro de aluminio	AlN	Piezoeléctrico. No se utiliza por sí solo como semiconductor; el GaAlN, que es similar al AlN, podría utilizarse para LED ultravioleta. La emisión a 210 nm con AlN era ineficiente.
III-V	2	Fosfuro de aluminio	AlP
III-V	2	Arseniuro de aluminio	AlAs
III-V	2	Antimoniuro de aluminio	AlSb
III-V	2	Nitruro de galio	GaN	Este tipo de material semiconductor empieza a estar más extendido en los transistores de microondas, donde se necesitan altas temperaturas y potencias. También se utiliza en algunos circuitos integrados de microondas. El GaN es difícil de dopar para obtener regiones de tipo p y también es sensible a la ESD, pero relativamente insensible a las radiaciones ionizantes. Se ha utilizado en algunos LED azules.
III-V	2	Fosfuro de galio	GaP	Este material semiconductor ha encontrado muchos usos en la tecnología LED. Se utilizó en muchos de los primeros LED de luminosidad baja o media y producía una variedad de colores que dependía de la adición de otros dopantes. El fosfuro de galio puro produce luz verde, el dopado con nitrógeno emite luz verde amarillenta y el dopado con ZnO emite luz roja.
III-V	2	Arseniuro de galio	GaAs	El arseniuro de galio es el segundo tipo de semiconductor más utilizado después del silicio. Se utiliza mucho en dispositivos de radiofrecuencia de alto rendimiento, donde se aprovecha su elevada movilidad electrónica. También se utiliza como sustrato para otros semiconductores III-V, como InGaAs y GaInNAs. Sin embargo, es un material frágil y tiene una movilidad de huecos menor que el silicio, lo que hace que aplicaciones como los transistores CMOS de tipo P no sean factibles. También es relativamente difícil de fabricar, lo que aumenta el coste de los dispositivos de GaAs.
III-V	2	Antimoniuro de galio	GaSb	Se utiliza para detectores infrarrojos y LED y termo-fotovoltaicos. Dopado n con Te, p con Zn.
III-V	2	Nitruro de indio	InN	Posible uso en células solares, pero difícil de dopar con el tipo p. Se utilizan frecuentemente como aleaciones.
III-V	2	Fosfuro de indio	InP	Se utiliza comúnmente como sustrato para InGaAs epitaxial. Velocidad electrónica superior, se utiliza en aplicaciones de alta potencia y alta frecuencia. Se utiliza en optoelectrónica.
III-V	2	Arseniuro de indio	InAs	Se utiliza para detectores infrarrojos de 1 a 3.8 μm, refrigerados o no. Alta movilidad de electrones. Los puntos de InAs en una matriz de InGaAs pueden servir como puntos cuánticos. Los puntos cuánticos pueden formarse a partir de una monocapa de InAs sobre InP o GaAs. Potente emisor fotoeléctrico, utilizado como fuente de radiación de terahercios.
III-V	2	Antimoniuro de indio	InSb	Se utiliza en detectores infrarrojos y sensores de imágenes térmicas, alta eficiencia cuántica, baja estabilidad, requiere refrigeración, se utiliza en sistemas de imágenes térmicas militares de largo alcance. Movilidad electrónica, velocidad electrónica y longitud balística muy altas. Los transistores pueden funcionar por debajo de 0,5 V y por encima de 200 GHz. Se pueden alcanzar frecuencias de terahercios.

Grupos de materiales semiconductores

Los materiales semiconductores más utilizados son sólidos inorgánicos cristalinos. Estos materiales suelen clasificarse según su posición o grupo dentro de la tabla periódica. Estos grupos vienen determinados por los electrones de la órbita exterior de cada elemento.

Aunque la mayoría de los materiales semiconductores utilizados son inorgánicos, cada vez se investigan y utilizan más materiales orgánicos.

La sección de la tabla periódica de los elementos que incluye los materiales semiconductores aparece en la siguiente imagen.

materiales semiconductores tabla periodica — Tabla periódica química con los materiales semiconductores relevantes.

Los materiales semiconductores están presentes en varios grupos diferentes de la tabla periódica química. Se ha observado que las propiedades de los distintos materiales cambian de un grupo a otro y también como resultado de sus diferentes números atómicos.

El silicio, que es el material más utilizado para crear componentes electrónicos basados en semiconductores, pertenece al grupo IV, al igual que el germanio, que fue el primer material ampliamente utilizado para transistores y diodos.

Sin embargo, los materiales semiconductores también pueden fabricarse a partir de semiconductores compuestos como el arseniuro de galio GaAs, el sulfuro de cadmio CdS, el carburo de silicio SiC y muchos más.

¿Cuáles son los materiales semiconductores más utilizados?

Los materiales semiconductores más utilizados son el silicio, el germanio y el arseniuro de galio. De los tres, el germanio fue uno de los primeros materiales semiconductores utilizados. El germanio tiene cuatro electrones de valencia, que son electrones situados en la capa externa del átomo.

El número de electrones de valencia de un material semiconductor determina su conductividad. Aunque fue un paso importante en la evolución de los materiales semiconductores, el germanio ha caído en desuso en favor del actual rey de los materiales semiconductores: el silicio.

El silicio se ha utilizado ampliamente como material semiconductor desde la década de 1950. Es el elemento más abundante en la Tierra después del carbono, tiene cuatro electrones de valencia y funde a una temperatura superior a la del germanio (1414 grados Celsius frente a los 938.3 grados Celsius del germanio).

El silicio se encuentra abundantemente en la cuarcita. Los procesos de extracción, purificación y cristalización del silicio son eficaces y económicos. El elemento cristaliza en forma de diamante para obtener un enlace relativamente robusto, lo que otorga a los cristales de silicio fuertes propiedades mecánicas.

El arseniuro de galio es el segundo semiconductor más utilizado en la actualidad. A diferencia del silicio y el germanio, el arseniuro de galio es un compuesto, no un elemento, y se fabrica combinando galio, con sus tres electrones de valencia, con arsénico, que tiene cinco electrones de valencia.

Los ocho electrones de valencia hacen que los dispositivos de arseniuro de galio respondan rápidamente a las señales eléctricas, lo que hace que este compuesto sea muy adecuado para amplificar las señales de alta frecuencia que se ven en los satélites de televisión. Sin embargo, el arseniuro de galio tiene algunas limitaciones: el compuesto es más difícil de fabricar en masa que el silicio, y los productos químicos utilizados en la producción de arseniuro de galio son bastante tóxicos.

Características de los materiales semiconductores

Los materiales que permiten la conductividad eléctrica se denominan, naturalmente, conductores. Algunos ejemplos son el oro, la plata y el cobre. Los aislantes, en cambio, tienen una gran resistencia e impiden la conductividad eléctrica. El caucho, el vidrio y la cerámica son aislantes.

Los semiconductores, como su nombre indica, poseen características tanto de conductores como de aislantes. Los semiconductores suelen ser cristalinos y tienen pocos electrones libres, necesarios para la conductividad. En su lugar, sus átomos se agrupan para formar una red cristalina a través de la cual es posible la conductividad eléctrica, pero sólo en las condiciones adecuadas.

A bajas temperaturas, los semiconductores permiten poca o ninguna conductividad y actúan como aislantes. Sin embargo, a temperatura ambiente o expuestos a la luz, la tensión o el calor, pueden conducir la electricidad. Este estado intermedio entre conductores y aislantes hace que los semiconductores sean tan importantes para los dispositivos electrónicos, ya que controlan cómo, cuándo y dónde fluye la electricidad.

¿Cómo se fabrican los materiales semiconductores?

Cuando se fabrican circuitos integrados, los componentes del circuito, como los transistores y el cableado, se depositan sobre la superficie de una fina oblea de cristal de silicio. A continuación, la fina película de componentes se recubre con una sustancia fotorresistente, sobre la que se proyecta el patrón del circuito mediante tecnología fotolitográfica.

El resultado es una sola capa de circuito, con transistores en el nivel más bajo. El proceso se repite luego con muchos circuitos formados uno sobre otro y sobre la base del semiconductor.