Semiconductores: Tipos y Ejemplos

Hoy echaremos un vistazo a la descripción detallada de los semiconductores. Hablaremos en detalle sobre los elementos semiconductores, aplicaciones y propiedades de los semiconductores, características de los semiconductores eléctricos, los materiales semiconductores más utilizados, etc.

¿Qué es un Semiconductor?

Un semiconductor es un material que posee propiedades eléctricas específicas que le permiten servir de base para ordenadores 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.

Un material que puede conducir la electricidad se denomina conductor y un material que no puede conducir la electricidad se conoce como aislante. En cambio, los semiconductores tienen propiedades que se sitúan entre conductores (generalmente metales) y no conductores o aislantes (como la mayoría de cerámicas). Un diodo, un circuito integrado (CI) y un transistor están hechos de semiconductores.

La conductancia puede variar en función 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.

Los semiconductores pueden ser elementos puros, como el silicio o el germanio, o compuestos, como el arseniuro de galio o el seleniuro de cadmio.

En un proceso llamado dopaje, se agregan pequeñas cantidades de impurezas a los semiconductores puros, lo que provoca grandes cambios en la conductividad del material.

¿Cómo Funciona un Semiconductor?

La mayoría de los semiconductores están compuestos por cristales de varios materiales. Para entender mejor cómo funcionan los semiconductores, hay que comprender los átomos y cómo se organizan los electrones dentro del átomo. 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

Los semiconductores pueden conducir la electricidad en condiciones o circunstancias preferibles. Esta propiedad única los convierte en un material excelente para conducir la electricidad de forma controlada según las necesidades.

A diferencia de los conductores, los portadores de carga en los semiconductores sólo surgen debido a la energía externa (agitación térmica). Ésta hace que un cierto número de electrones de valencia crucen la brecha energética y salten a la banda de conducción, dejando una cantidad igual de estados energéticos desocupados, es decir, huecos. La conducción debida a los electrones y a los huecos es igualmente importante.

• Resistividad: 10^-5 a 10⁶ Ωm
• Conductividad: 10⁵ a 10^-6 mho/m
• Coeficiente de temperatura de la resistencia: Negativo
• Flujo de corriente: Debido a electrones y huecos

Tipos de Semiconductores

Los semiconductores se clasifican de la siguiente manera:

• Semiconductores intrínsecos
• Semiconductores extrínsecos

¿Qué es un Semiconductor Intrínseco?

Los semiconductores intrínsecos, también denominados puros o no dopados, son cristales impecables libres de defectos e impurezas de otros elementos. Todos los materiales semiconductores, incluidos los dopados con otros componentes, tienen características intrínsecas, y los componentes dopantes introducen otras cualidades deseadas.

Intrínseco significa inherente y natural, y los semiconductores intrínsecos muestran las características en bloque de las propias sustancias semiconductoras, no las impurezas y los dopantes. Como el silicio y el germanio son semiconductores elementales, son los más utilizados como semiconductores intrínsecos. Fueron de los primeros semiconductores que se investigaron y utilizaron ampliamente. Las características distintivas de los semiconductores se basan en su estructura eléctrica. La estructura eléctrica, que determina las propiedades esenciales de los semiconductores, es uno de los mecanismos que distinguen a los semiconductores como un tipo distinto de material.

¿Qué es un Semiconductor Extrínseco?

La conductividad de los semiconductores puede mejorarse con la ayuda de un pequeño número de átomos adecuados conocidos como IMPUREZAS. El proceso de añadir átomos de impureza al semiconductor puro se denomina DOPADO. Por lo general, solo 1 átomo en 10⁷ será reemplazado por un átomo dopante en un semiconductor dopado.

Un semiconductor extrínseco se divide en dos tipos:

• Semiconductor Tipo N
• Semiconductor Tipo P

Semiconductor Tipo N

Cuando un semiconductor puro (Silicio o Germanio) está dopado con una impureza pentavalente (P, As, Sb, Bi), cuatro electrones de los cinco electrones de valencia se enlazan con los cuatro electrones del Ge o del Si.

El quinto electrón del dopante queda libre. Así, el átomo de impureza dona un electrón libre para la conducción en la red y se denomina «Donadores».

Dado que el número de electrones libres aumenta con la adición de una impureza, los portadores de carga negativa aumentan. De ahí que se denomine semiconductor de tipo n.

El cristal en su conjunto es neutro, pero el átomo donante se convierte en un ion positivo inmóvil. Como la conducción se debe a un gran número de electrones libres, los electrones en el semiconductor tipo n son los PORTADORES MAYORITARIOS y los huecos son los PORTADORES MINORITARIOS.

Semiconductor Tipo P

Cuando un semiconductor puro está dopado con una impureza trivalente (B, Al, In, Ga ), los tres electrones de valencia de la impureza se enlazan con tres de los cuatro electrones de valencia del semiconductor.

Esto deja una ausencia de electrones (huecos) en la impureza. Estos átomos de impureza que están preparados para aceptar electrones enlazados se denominan «aceptadores».

Al aumentar el número de impurezas, aumentan los huecos (portadores de carga positiva). De ahí que se denomine semiconductor de tipo p.

El cristal en su conjunto es neutro, pero los aceptores se convierten en un ion negativo inmóvil. Como la conducción se debe a un gran número de huecos, los huecos en el semiconductor tipo p son PORTADORES MAYORITARIOS y los electrones son PORTADORES MINORITARIOS.

Materiales Semiconductores: Ejemplos

Existen varios materiales y elementos utilizados para fabricar semiconductores. El requisito básico es que el material no sea muy buen conductor de la electricidad ni muy mal conductor. Sus propiedades pueden modificarse añadiendo o eliminando átomos / impurezas.

El arseniuro de galio, el germanio y el silicio son algunos de los semiconductores más utilizados. El silicio se usa en la fabricación de circuitos electrónicos y el arseniuro de galio se usa en células solares, diodos láser, etc.

• Germanio: Este tipo de material semiconductor se utilizó en muchos de los primeros dispositivos, desde los diodos de detección de radares hasta los primeros transistores. Los diodos presentan una conductividad inversa y un coeficiente de temperatura más elevados, por lo que los primeros transistores podían sufrir desbocamiento térmico. Ofrecen una movilidad de portadores de carga mejor que el silicio, por lo que se utilizan en algunos dispositivos de radiofrecuencia. Hoy en día no se utilizan tanto, ya que se dispone de mejores materiales semiconductores.
• Silicio: El silicio es el tipo de material semiconductor más utilizado. Su principal ventaja es que es fácil de fabricar y ofrece buenas propiedades eléctricas y mecánicas en general. Otra ventaja es que, cuando se utiliza para circuitos integrados, forma óxido de silicio de alta calidad que se emplea para capas aislantes entre los distintos elementos activos del circuito integrado.
• Arseniuro de Galio: 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 quebradizo y tiene una movilidad de los huecos inferior a la del silicio, por lo que aplicaciones como los transistores CMOS de tipo P no son viables. También es relativamente difícil de fabricar, lo que aumenta el coste de los dispositivos de GaAs.
• Carburo de Silicio: El carburo de silicio se utiliza en numerosas aplicaciones. Suele utilizarse en dispositivos de potencia, donde sus pérdidas son mucho menores y las temperaturas de funcionamiento pueden ser superiores a las de los dispositivos basados en silicio. El carburo de silicio tiene una capacidad de ruptura diez veces superior a la del silicio. Las formas de carburo de silicio eran tipos de material semiconductor que se utilizaban con algunas de las primeras formas de LED amarillos y azules.
• Nitruro de Galio: 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.
• Fosfuro de Galio: 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.
• Sulfuro de Cadmio: Se utiliza en fotorresistencias y también en células solares.
• Sulfuro de Plomo: Utilizado como mineral galena, este material semiconductor se empleó en los primeros detectores de radio conocidos como «bigotes de gato», en los que se hacía un contacto puntual con el alambre de estaño sobre la galena para rectificar las señales.

Características de los Materiales Semiconductores

Hay varias características de los materiales semiconductores; veamos algunas de ellas.

1. Conductividad

El dopaje es la adición de impurezas a un material semiconductor para modificar su conductividad eléctrica. Tanto los materiales semiconductores de tipo N como los de tipo P pueden producirse mediante dopaje.

Impurezas como el fósforo o el arsénico se introducen en el material semiconductor de tipo N. El material tiene un exceso de electrones libres, que están cargados negativamente porque estas impurezas tienen un electrón más que el átomo de silicio.

En un material semiconductor de tipo P se introducen impurezas como el boro o el aluminio. La sustancia carece de electrones, que están cargados positivamente ya que estas impurezas tienen un electrón menos que el átomo de silicio.

2. Banda Prohibida

La diferencia de energía entre las bandas de valencia y de conducción de un material semiconductor se conoce como banda prohibida. La banda de conducción es la región en la que los electrones fluyen libremente, mientras que la banda de valencia es la región en la que los electrones están fuertemente ligados a los átomos.

La banda prohibida de un material semiconductor determina si es un aislante o un conductor. En los conductores, la banda de valencia y la banda de conducción se solapan, lo que permite el movimiento sin restricciones de los electrones. En los aislantes, la banda prohibida es demasiado ancha, lo que impide a los electrones pasar de la banda de valencia a la de conducción.

Debido a la diminuta banda prohibida de los materiales semiconductores, los niveles de dopaje pueden hacer que actúen como conductores o aislantes.

3. Dopaje

El dopaje consiste en añadir impurezas a los materiales semiconductores para modificar sus características eléctricas. Los dos tipos de dopaje más frecuentes son el dopaje tipo N y el dopaje tipo P.

Durante el dopaje tipo N se añade una impureza al material semiconductor, como fósforo o arsénico. En comparación con el átomo de silicio, estas impurezas tienen un electrón adicional, lo que resulta en un exceso de electrones libres, que están cargados negativamente.

Durante el dopaje tipo P se añade una impureza, como boro o aluminio, a la sustancia semiconductora. Estas impurezas provocan una escasez de electrones, que están cargados positivamente porque tienen un electrón menos que el átomo de silicio.

Aplicaciones de los Semiconductores

Conozcamos ahora los usos de los semiconductores en la vida cotidiana. Los semiconductores se utilizan en casi todos los dispositivos electrónicos. Sin ellos, nuestra vida sería muy distinta.

Su fiabilidad, compacidad, bajo coste y conducción controlada de la electricidad los hacen ideales para ser utilizados con diversos fines en una amplia gama de componentes y dispositivos. Transistores, diodos, fotosensores, microcontroladores, chips integrados y mucho más se componen de semiconductores.

Usos de los Semiconductores en la Vida Cotidiana

• Los sensores de temperatura se fabrican con dispositivos semiconductores.
• Se utilizan en máquinas de impresión 3D.
• Se utilizan en microchips y coches auto-conducidos.
• Se utilizan en calculadoras, paneles solares, ordenadores y otros dispositivos electrónicos.
• Los transistores y MOSFET utilizados como interruptores en circuitos eléctricos se fabrican con semiconductores.

Usos industriales de los semiconductores

Las propiedades físicas y químicas de los semiconductores permiten diseñar maravillas tecnológicas como microchips, transistores, LED, paneles solares, etc.

El microprocesador utilizado para controlar el funcionamiento de vehículos espaciales, trenes, robots, etc., está formado por transistores y otros dispositivos de control, fabricados con materiales semiconductores.

Importancia de los Semiconductores

Debido a su papel en la fabricación de dispositivos electrónicos, los semiconductores son el cerebro de la electrónica moderna y parte importante de nuestras vidas. Imagine la vida sin dispositivos electrónicos. No habría radios, televisores, ordenadores, videojuegos ni equipos de diagnóstico médico.

Aunque muchos dispositivos electrónicos podían fabricarse con tecnología de tubos de vacío, los avances en la tecnología de semiconductores durante los últimos 50 años han hecho que los dispositivos electrónicos sean más pequeños, más rápidos y más fiables.

Además, los semiconductores han impulsado avances en las comunicaciones, la informática, la atención médica, los sistemas militares, el transporte, la energía limpia y muchas otras aplicaciones. Y están dando lugar a nuevas tecnologías que prometen transformar la sociedad para mejor, incluida la computación inspirada en el cerebro, la realidad virtual, el Internet de las cosas, la detección de eficiencia energética, los dispositivos automatizados, la robótica y la inteligencia artificial. El mayor potencial de los semiconductores está por delante.

Preguntas Frecuentes