En los últimos 70 años, los semiconductores se han convertido en un elemento crucial en la fabricación de productos electrónicos. Desde la invención del transistor, el mundo de la electrónica siempre ha estado en una curva exponencial en términos de investigación, desarrollo, fabricación y aparición de nuevos dispositivos y tecnologías.
Los dispositivos electrónicos se ocupan del tratamiento de la información, es decir, de la transmisión, adquisición y procesamiento a alta velocidad en los campos de la industria y la fabricación, las comunicaciones, las artes, la medicina e incluso en la guerra.
Pero todo esto se puede retrotraer al corazón de la electrónica moderna y su fabricación: Los dispositivos semiconductores.
Aunque un sistema electrónico se fabrica con la ayuda de metales, aislantes y semiconductores (de los que hablaremos más adelante), los semiconductores se consideran la columna vertebral de la electrónica.
¿Qué es un semiconductor?
Antes de entrar en materia sobre los distintos tipos de dispositivos semiconductores, es esencial tener una idea de lo que es un semiconductor.
En pocas palabras, los semiconductores son materiales que no son conductores ni aislantes. Los materiales se clasifican en conductores, aislantes y semiconductores en función de su capacidad para conducir la electricidad.
Los conductores son materiales con una gran capacidad de transporte de electricidad. Por lo general, los metales tienen una buena conductividad eléctrica y en el cableado eléctrico de su casa puede encontrar cobre o aluminio.
Por el contrario, los Aislantes son materiales con muy mala conductividad eléctrica. El vidrio, la madera y el papel son buenos ejemplos de aislantes.
Hablemos ahora de la categoría de materiales más importante, los semiconductores. A temperatura ambiente, los semiconductores son materiales con menor conductividad eléctrica que los conductores, pero con mayor conductividad eléctrica que los aislantes.
Nota: Para una comprensión más detallada sobre los semiconductores, hay que profundizar en la complicada Mecánica Cuántica, que está «ciertamente» fuera del alcance de esta discusión.
Materiales Semiconductores
Hablando en términos de conductividad eléctrica con unidades de Ω-1 cm-1, los materiales semiconductores son aquellos con una conductividad eléctrica entre 10-9 Ω-1 cm-1 y 102 Ω-1 cm-1.
Tradicionalmente, los elementos del grupo IV como el Silicio (Si) y el Germanio (Ge) se consideran los Materiales Semiconductores Elementales, es decir, semiconductores con especies de un solo átomo.
Existen otros tipos de materiales semiconductores que pueden formarse combinando elementos del grupo III con elementos del grupo V y que se conocen como semiconductores compuestos. El arseniuro de galio (GaAs) es el material semiconductor más conocido de esta categoría y, de hecho, es el segundo material semiconductor más utilizado después del silicio.
¿Qué son los Dispositivos Semiconductores?
En palabras sencillas, los dispositivos semiconductores son un tipo de componentes electrónicos diseñados, desarrollados y fabricados a partir de materiales semiconductores como el silicio (Si), el germanio (Ge) y el arseniuro de galio (GaAs).
Desde su uso a finales de los años 40 (o principios de los 50), los semiconductores se convirtieron en el material principal en la fabricación de electrónica y sus variantes, como la optoelectrónica y la termoeléctrica.
Antes del uso de materiales semiconductores en dispositivos electrónicos, se utilizaban tubos de vacío para diseñar componentes electrónicos. La principal diferencia entre los tubos de vacío y los dispositivos semiconductores es que en los tubos de vacío la conducción de electrones se produce en estado gaseoso, mientras que en los dispositivos semiconductores se produce en «estado sólido».
Los dispositivos semiconductores se pueden encontrar tanto en forma de componentes discretos como de circuitos integrados.
¿Por qué Semiconductores?
La principal razón para utilizar dispositivos semiconductores (y, por tanto, los materiales semiconductores subyacentes) en la fabricación de dispositivos y componentes electrónicos es la posibilidad de manipular fácilmente su conductividad de portadores de carga, es decir, electrones y huecos.
Como ya se ha mencionado, la conductividad eléctrica de los materiales semiconductores se sitúa entre la de los conductores y la de los aislantes. Incluso esta conductividad puede controlarse aún más por factores externos o internos como el campo eléctrico, el campo magnético, la luz, la temperatura y la distorsión mecánica.
Ignorando por ahora factores externos como la temperatura y la luz, los materiales semiconductores suelen someterse a un proceso denominado dopaje, en el que se introduce una impureza en su estructura para modificar sus propiedades estructurales y eléctricas.
Un semiconductor puro se conoce como semiconductor intrínseco, mientras que un semiconductor impuro o dopado se conoce como semiconductor extrínseco.
Tipos de Dispositivos Semiconductores
A continuación se ofrece una pequeña lista de algunos de los dispositivos semiconductores más utilizados. En función de la estructura física del dispositivo, la siguiente lista se clasifica en dispositivos de dos terminales y dispositivos de tres terminales.
Dispositivos Semiconductores de Dos Terminales
- Diodo
- Diodo Schottky
- Diodo Emisor de Luz (LED)
- DIAC
- Diodo Zener
- Fotodiodo (fototransistor)
- Diodo PIN
- Diodo láser
- Diodo Túnel
- Fotocélula
- Célula Solar
- Diodo Gunn
- Diodo IMPATT
- Diodo TVS (diodo de supresión de tensión transitoria)
- VCSEL (láser de emisión superficial de cavidad vertical)
Dispositivos Semiconductores de Tres Terminales
- Transistor bipolar
- Transistor de efecto de campo
- Transistor bipolar de puerta aislada (IGBT)
- Transistor Darlington
- Rectificador Controlado de Silicio (SCR)
- TRIAC
- Tiristor
- Transistor Uniunión
También hay algunos semiconductores de cuatro terminales, como el optoacoplador (fotoacoplador) y el sensor de efecto Hall.
Aplicaciones de los Dispositivos Semiconductores
Como ya se ha mencionado, los dispositivos semiconductores son la base de casi todos los dispositivos electrónicos. Algunas de las aplicaciones de los dispositivos semiconductores son:
- Los transistores son los componentes principales de varios circuitos integrados como los microprocesadores.
- De hecho, son los componentes principales en la construcción de puertas lógicas y otros circuitos digitales.
- Los transistores también se utilizan en circuitos analógicos como amplificadores y osciladores.
- Se utiliza en aplicaciones de alto voltaje.
Preguntas Frecuentes
Las células solares y las fotocélulas se clasifican como dispositivos de dos terminales. Los transistores bipolares y de efecto campo, los rectificadores controlados por silicio y los tiristores son algunos de los principales ejemplos de dispositivos semiconductores de tres terminales.
Los transistores se clasifican a su vez en transistores de unión bipolar y transistores de efecto de campo. El primero se crea utilizando dos uniones p-n configuradas de forma diferente y el transistor de efecto de campo funciona según el principio de la conductividad, que además puede alterarse en presencia de un campo eléctrico.
Los electrones y los huecos son los responsables de transportar las cargas electrónicas a los dispositivos. Los huecos se encargan de transportar partículas cargadas positivamente y los electrones transportan partículas cargadas negativamente. Ambos tienen polaridades diferentes y magnitudes similares.
Los dispositivos semiconductores se utilizan en diversos aparatos domésticos e industriales. Se utilizan en el diseño de diversos tipos de circuitos digitales y analógicos. También se utilizan en aplicaciones de alta tensión y microprocesadores.