Semiconductor

Si alguna vez ha oído el término semiconductor, probablemente haya sido en relación con alguna aplicación eléctrica. Pero, ¿Qué son los semiconductores y de qué están hechos los semiconductores? Estas sustancias son partes importantes de prácticamente cualquier sistema eléctrico. Desde los circuitos que componen los transbordadores espaciales y las redes de vehículos eléctricos hasta los simples enchufes y la caja de interruptores de su hogar, los semiconductores son materiales versátiles que se necesitan para permitir incluso la electrificación básica.

¿Qué es un Semiconductor?

Un semiconductor es un material que posee propiedades eléctricas específicas que le permiten servir de base para computadoras y otros dispositivos electrónicos. Suele ser un elemento o compuesto químico sólido que conduce la electricidad en determinadas condiciones, pero no en otras. Esto lo convierte en un medio ideal para controlar la corriente eléctrica y los aparatos eléctricos cotidianos.

Una sustancia que puede conducir electricidad se denomina conductor y una sustancia que no puede conducir electricidad se conoce como aislante. Los semiconductores tienen propiedades que se sitúan entre el conductor y el aislante. Un diodo, un circuito integrado (CI) y un transistor están hechos de semiconductores.

La conductancia puede variar dependiendo de la corriente o voltaje aplicado a un electrodo de control o de la intensidad de irradiación por infrarrojos (IR), luz visible, ultravioleta o rayos X. Las propiedades específicas de un semiconductor dependen de las impurezas, conocidas como dopantes, que se le añaden.

¿Cómo Funciona un Semiconductor?

La mayoría de los semiconductores están compuestos por cristales de varios materiales. Para entender mejor cómo funcionan los semiconductores, los usuarios deben comprender los átomos y cómo se organizan los electrones dentro de ellos. Los electrones se organizan en capas denominadas capas dentro del átomo. La capa más externa del átomo se denomina capa de valencia.

Los electrones de esta capa de valencia son los que forman enlaces con los átomos vecinos. Estos enlaces se denominan enlaces covalentes. La mayoría de los conductores sólo tienen un electrón en la capa de valencia. En cambio, los semiconductores suelen tener cuatro electrones en la capa de valencia.

Sin embargo, si los átomos cercanos tienen la misma valencia, los electrones pueden unirse a los electrones de valencia de otros átomos. Cuando esto ocurre, los átomos se organizan en estructuras cristalinas. La mayoría de los semiconductores se fabrican con este tipo de cristales, principalmente con cristales de silicio.

Propiedades de los Semiconductores

Algunas propiedades importantes de un Semiconductor son:

• Brecha de energía: Los semiconductores tienen una banda prohibida, un rango de energía situado entre la banda de valencia (con electrones fuertemente ligados) y la banda de conducción (que permite el movimiento de electrones), lo que influye en su naturaleza conductora o aislante.
• Introducción de dopantes: La introducción controlada de impurezas (dopaje) en los semiconductores altera intencionadamente sus características eléctricas, generando un exceso de portadores de carga (tipo N) o «huecos» (tipo P) para controlar la conductividad.
• Respuesta a la temperatura: La conductividad de los semiconductores varía con la temperatura, lo que los hace adecuados para aplicaciones como termistores y sensores de temperatura.
• Sensibilidad a la luz: Ciertos semiconductores se vuelven más conductores con la exposición a la luz, lo que resulta muy útil en fotodetectores y células solares.
• Influencia mecánica: La resistencia de los semiconductores puede cambiar con la tensión mecánica (piezo-resistividad), aplicada en galgas extensométricas y sensores de presión.
• Conductividad térmica: Con una conductividad térmica intermedia, los semiconductores consiguen una disipación controlada del calor, crucial para los circuitos integrados.
• Cualidades dieléctricas: Los semiconductores pueden actuar como aislantes dieléctricos en determinadas circunstancias, lo que contribuye a los condensadores y los mecanismos de almacenamiento de energía.
• Electroluminiscencia: Cuando se someten a tensión, determinados semiconductores emiten luz, esencial en LEDs y pantallas.
• Aspectos cuánticos: En la nanoescala, los semiconductores revelan efectos cuánticos explotados en puntos cuánticos y estructuras de pozos cuánticos para usos avanzados.
• Efecto Hall: Los semiconductores presentan el efecto Hall, en el que un campo eléctrico perpendicular a la corriente genera un voltaje medible, aplicable en sensores Hall y medición de corriente.
• Movilidad de los portadores: La capacidad de movimiento de los portadores de carga (electrones y huecos) dentro de los semiconductores viene determinada por la movilidad de los portadores, que influye en la eficiencia y la velocidad del dispositivo.
• Resistividad (ρ): La resistividad disminuye con el aumento de la temperatura debido al aumento del número de los portadores de carga móviles y haciendo así que el coeficiente de temperatura sea negativo.
• Conductividad (σ): Los semiconductores actúan como aislantes a cero kelvin pero cuando aumenta la temperatura empiezan a funcionar como conductores.
• Concentración de portadores (n o p): En los semiconductores, la concentración de portadores se refiere al número de portadores de carga (electrones o huecos) por unidad de volumen. Viene dada por la fórmula

Tipos de Semiconductores

Los semiconductores se pueden clasificar en dos tipos según su pureza:

Semiconductores Intrínsecos

Semiconductores Extrínsecos

¿Cuál es la diferencia entre semiconductores intrínsecos y extrínsecos?

La principal diferencia entre los semiconductores intrínsecos y extrínsecos es su forma. Por ejemplo, los semiconductores intrínsecos son puros y están compuestos por un solo tipo de material. No tienen ningún tipo de impureza añadida.

En cambio, los semiconductores extrínsecos son impuros. Los semiconductores extrínsecos se componen de varios semiconductores intrínsecos a los que se añaden otras sustancias para modificar sus propiedades. Estas sustancias suelen ser impurezas dopantes trivalentes o pentavalentes.

¿Qué es un chip semiconductor?

Entre el conductor y el aislante se encuentra una sustancia semiconductora. Controla y gestiona el flujo de corriente eléctrica en equipos y dispositivos electrónicos. Como resultado, es un componente popular de chips electrónicos fabricados para componentes informáticos y una variedad de dispositivos electrónicos, incluido el almacenamiento de estado sólido.

¿Qué es un semiconductor de RF?

Un semiconductor de radiofrecuencia (RF) es un dispositivo utilizado para activar o rectificar la potencia en dispositivos electrónicos. Los semiconductores de RF trabajan en un espectro de radiofrecuencia de unos 3KHz hasta 300GHz.

¿Qué es un amplificador óptico semiconductor?

Un amplificador óptico semiconductor (SOA) es un elemento que se encuentra en los semiconductores y que amplifica la luz. Los usuarios pueden encontrar SOA en módulos transceptores ópticos utilizados para permitir la comunicación entre centros de datos.

En este caso, el SOA amplifica la señal óptica utilizada para la comunicación Ethernet. Este enfoque ayuda a compensar la pérdida de transmisión.

Aplicaciones de los Semiconductores

Los materiales semiconductores son muy útiles en nuestra vida cotidiana. A continuación, algunos ejemplos comunes.

• Computadoras: Los chips y microprocesadores, que constituyen el núcleo del ordenador, están hechos de semiconductores. Son las piezas que ayudan a las computadoras a procesar los datos. Sin estos chips no es posible realizar operaciones complejas.
• Uso en dispositivos electrónicos: Los dispositivos electrónicos básicos que utilizamos, como interruptores, circuitos eléctricos, diodos y transistores, se fabrican con semiconductores.
• Diodos emisores de luz (LED): Los LEDs se utilizan en el hogar para iluminar. Son dispositivos semiconductores que producen luz cuando se hace pasar corriente a través de ellos. Los LEDs se utilizan en aplicaciones cotidianas de iluminación, como bombillas de bajo consumo para hogares y oficinas, así como en señales de tráfico, faros de vehículos y pantallas electrónicas.
• Tecnología wearable: Los dispositivos wearables, como los relojes inteligentes o los últimos anillos inteligentes, sólo son posibles con tecnología de semiconductores. Porque en ellos se utilizan chips microprocesadores que pueden fabricarse utilizando semiconductores.
• Domótica: Los semiconductores son una parte crucial de los sistemas de automatización del hogar, ya que permiten crear dispositivos domésticos inteligentes como termostatos inteligentes, iluminación inteligente, cámaras de seguridad inteligentes y asistentes virtuales activados por voz.

Usos de los Semiconductores en la Vida Cotidiana

• Computadoras y laptops: Las CPU y GPU se fabrican con tecnología de semiconductores.
• Televisores: Los modernos LED y OLED se fabrican con materiales semiconductores.
• Comunicaciones: Muchos dispositivos de comunicación, como routers, módems, satélites y sistemas GPS, están fabricados con chips semiconductores.
• Iluminación: Los sistemas de iluminación, como las luces LED, se fabrican con materiales semiconductores.

Importancia de los Semiconductores

Importancia de los semiconductores son:

• Tamaño reducido: Los semiconductores se fabrican a escala microscópica, lo que permite crear dispositivos compactos y portátiles.
• Bajo consumo: Los semiconductores requieren menos potencia de entrada en comparación con otras tecnologías.
• A prueba de golpes: Los dispositivos semiconductores son de estado sólido y no tienen partes móviles, lo que los hace resistentes a golpes y vibraciones.
• Larga vida útil: Los semiconductores tienen una vida útil más larga que otras tecnologías.
• Funcionamiento silencioso: Los dispositivos semiconductores funcionan con menos ruido eléctrico, lo que mejora su rendimiento.

Ventajas de un semiconductor

Éstas son algunas de las ventajas de un semiconductor:

• Miniaturización: Los semiconductores se utilizan en dispositivos extremadamente pequeños, como microprocesadores y chips. Permiten la miniaturización, de modo que los dispositivos que ocupaban mucho espacio, con ayuda de los semiconductores pueden fabricarse en tamaños reducidos.
• Eficiencia energética: En comparación con otros materiales, los semiconductores son dispositivos eficientes desde el punto de vista energético. Consumen menos energía que otros materiales mientras se realizan las operaciones electrónicas.
• Emisión de luz: Algunos semiconductores tienen la propiedad de emitir luz cuando la corriente eléctrica pasa a través de ellos. Esto hizo posibles los LEDs (diodos emisores de luz) y también los diodos láser.
• Alta velocidad de conmutación: La velocidad de conmutación de los semiconductores es comparativamente muy alta, lo que permite una conmutación rápida en los dispositivos. Se trata de una propiedad importante porque ahorra tiempo y reduce la complejidad, además de permitirles realizar operaciones digitales rápidas.
• Formación de CI: Los circuitos integrados (CI) pueden incorporar millones de dispositivos semiconductores en un solo chip, lo que da lugar a funcionalidades complejas en un formato compacto.

Desventajas de un semiconductor

Algunas de las desventajas de un semiconductor son:

• Vulnerabilidad a la temperatura: Los aparatos semiconductores pueden reaccionar con fuerza a los cambios de temperatura, lo que provoca cambios en su funcionamiento y fiabilidad.
• Producción costosa: Fabricar semiconductores implica procesos intrincados e instalaciones especializadas, lo que se traduce en elevados gastos iniciales de fabricación.
• Límites de tolerancia al calor: Algunos semiconductores no soportan bien las altas temperaturas. Esto puede reducir su rendimiento o incluso provocar fallos.
• Dependencia de la pureza: La eficacia de los semiconductores depende en gran medida de su pureza. Incluso pequeñas impurezas pueden cambiar drásticamente sus características eléctricas.
• Problemas de consistencia: Con el tiempo, determinados dispositivos semiconductores pueden degradarse o desgastarse, lo que afecta negativamente a su fiabilidad y vida útil.

Conclusión

En las últimas décadas, los semiconductores se han integrado en cientos de industrias populares y miles de productos. Son una parte vital de ordenadores, Internet, teléfonos móviles, tecnologías de automoción y productos de consumo como televisores de pantalla plana. Como resultado, la industria de los semiconductores desempeña un papel destacado en la economía mundial. El sector también sigue siendo un polo de innovación, ya que la ley de Moore sigue haciendo de las suyas, produciendo microchips más potentes y más baratos con el paso del tiempo.

Preguntas Frecuentes