Los semiconductores son componentes electrónicos clave en prácticamente todos los aspectos de la tecnología electrónica moderna. Entender qué son y cómo funcionan es esencial para cualquiera que se dedique a la electrónica.
Los semiconductores y la tecnología de semiconductores constituyen la base de la mayor parte de la industria electrónica actual.
Transistores, diodos, tiristores, transistores de efecto de campo, circuitos integrados y muchos otros componentes electrónicos tienen en común la tecnología de semiconductores. Todos estos componentes electrónicos se utilizan a diario en grandes cantidades en todas las formas de fabricación electrónica.
El enorme grado de flexibilidad que ofrece la tecnología de semiconductores ha permitido que la electrónica se apodere de muchos ámbitos de la vida cotidiana que hace cincuenta años eran inconcebibles.
La tecnología de semiconductores se basa naturalmente en los semiconductores, que son una forma especial de material cuya conductividad puede alterarse de varias maneras.
¿Qué es un Material Semiconductor?
Un semiconductor es una sustancia 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.
Una sustancia que puede conducir la electricidad se denomina conductor y una sustancia que no puede conducir la 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 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. Las propiedades específicas de un semiconductor dependen de las impurezas, denominadas dopantes, que se le añadan.
¿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
- El semiconductor actúa como un aislante a cero Kelvin. Al aumentar la temperatura, funciona como conductor.
- Debido a sus excepcionales propiedades eléctricas, los semiconductores pueden modificarse mediante dopaje para fabricar dispositivos semiconductores adecuados para la conversión de energía, interruptores y amplificadores.
- Menores pérdidas de potencia.
- Los semiconductores son más pequeños y pesan menos.
- Su resistividad es mayor que la de los conductores, pero menor que la de los aislantes.
- La resistencia de los materiales semiconductores disminuye con el aumento de la temperatura y viceversa.
También debemos tener en cuenta las siguientes propiedades:
- 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 dividen en dos categorías: semiconductores intrínsecos y semiconductores extrínsecos. En este tema estudiaremos brevemente los semiconductores intrínsecos, su fabricación y sus usos. También trataremos la diferencia significativa entre semiconductores intrínsecos y extrínsecos.
Los semiconductores puros y sin impurezas se denominan semiconductores intrínsecos. En esta categoría de semiconductores, el número de electrones es igual al número de huecos.
¿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.
Ejemplos de Materiales Semiconductores
Hay muchos ejemplos 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.
- 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.
Usos y 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.
Aquí tenemos algunos ejemplos de 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 autoconducidos.
- 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.
Importancia de los Semiconductores
Aquí hemos mencionado algunas ventajas de los semiconductores que los hacen muy útiles en todas partes.
- Son muy portátiles debido a su menor tamaño.
- Requieren menos potencia de entrada.
- Los dispositivos semiconductores son resistentes a los golpes.
- Tienen una vida útil más larga.
- No hacen ruido durante su funcionamiento.
¿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 supuso 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. El silicio, el elemento más abundante en la Tierra después del carbono, tiene cuatro electrones de valencia y funde a una temperatura más alta que el germanio (1,414 grados Celsius en comparación con los 938.3 grados Celsius del germanio).
El silicio está disponible en abundancia 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 confiere 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.
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.
¿Cuáles son los materiales semiconductores más eficaces?
Además del arseniuro de galio, el compuesto dióxido de silicio tiene características superiores al silicio, lo que permite utilizarlo como aislante, capa de pasivación y capa de construcción en dispositivos de semiconductores de óxido metálico (MOS). El dióxido de silicio tiene una elevada rigidez dieléctrica y una banda de separación más ancha que el silicio, lo que lo convierte en un aislante eficaz, y el compuesto se deposita fácilmente sobre otros materiales.
¿Por qué disminuye la resistividad de los semiconductores con la temperatura?
La diferencia de resistividad entre conductores y semiconductores se debe a su diferencia de densidad de portadores de carga.
La resistividad de los semiconductores disminuye con la temperatura porque el número de portadores de carga aumenta rápidamente con el aumento de la temperatura, lo que hace que el cambio fraccionario, es decir, el coeficiente de temperatura, sea negativo.
¿Qué es un Chip Semiconductor?
Una sustancia semiconductora se encuentra entre el conductor y el aislante. Controla y gestiona el flujo de corriente eléctrica en equipos y dispositivos electrónicos. Por ello, es un componente popular de los chips electrónicos fabricados para componentes informáticos y una gran variedad de dispositivos electrónicos, incluido el almacenamiento en estado sólido.
¿Qué es un Semiconductor de RF?
Un semiconductor de radiofrecuencia (RF) es un dispositivo utilizado para conectar 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 de los semiconductores 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.