¿Qué es un semiconductor y para qué sirve?

Un semiconductor es un material que puede funcionar tanto como conductor como aislante, dependiendo de diversos factores como el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que recibe y la temperatura del entorno. Los elementos químicos semiconductores se encuentran en la tabla periódica adjunta.

 
 

Introducción

El silicio es el semiconductor más utilizado, seguido del germanio. Sin embargo, también se han encontrado combinaciones de elementos que presentan comportamientos similares, como las combinaciones de los grupos 12 y 13 con los grupos 16 y 15 respectivamente. Algunos ejemplos de estas combinaciones son el galio-arsénico, fósforo-indio, arsénico-galio-aluminio, telurio-cadmio, selenio-cadmio y azufre-cadmio. Recientemente, el azufre también ha comenzado a utilizarse como semiconductor. Todos estos elementos tienen en común que son tetravalentes, y el silicio tiene una configuración electrónica s2p2.

semiconductor

 

Los dispositivos semiconductores presentan propiedades útiles, como la capacidad de permitir el flujo de corriente de manera más eficiente en una dirección que en otra, la capacidad de tener una resistencia variable y la sensibilidad a la luz o al calor. Gracias al dopaje o la aplicación de campos eléctricos o luz, se pueden modificar las propiedades eléctricas de los materiales semiconductores, lo que permite utilizarlos para la amplificación, conmutación y conversión de energía.

La conductividad del silicio se puede aumentar mediante el proceso de dopaje, que consiste en añadir una pequeña cantidad de átomos pentavalentes (como antimonio, fósforo o arsénico) o trivalentes (como boro, galio o indio). Estos semiconductores dopados o extrínsecos tienen una mayor conductividad. Además del dopaje, la conductividad de un semiconductor también puede aumentar con la temperatura, a diferencia de los metales, cuya conductividad disminuye con el aumento de la temperatura.

La comprensión actual de las propiedades de los semiconductores se basa en la física cuántica, que explica el movimiento de los portadores de carga en una red cristalina. El dopaje aumenta significativamente el número de portadores de carga en el cristal. Cuando un semiconductor dopado tiene huecos libres, se denomina semiconductor de tipo p, mientras que si tiene electrones libres se conoce como semiconductor de tipo n.

Los materiales semiconductores utilizados en dispositivos electrónicos se dopan de manera precisa para controlar la concentración y las regiones de los dopantes de tipo p y n. Un solo cristal semiconductor puede tener múltiples regiones de tipo p y n, y las uniones p-n entre estas regiones son responsables del comportamiento electrónico útil. Se puede determinar rápidamente si una muestra de semiconductor es de tipo p o n utilizando una sonda de punto caliente.

Las propiedades de los materiales semiconductores se observaron por primera vez a mediados del siglo XIX y en las primeras décadas del siglo XX. La primera aplicación práctica de los semiconductores en la electrónica fue el desarrollo del detector de bigotes de gato en 1904, que fue utilizado en los primeros receptores de radio. Los avances en la física cuántica llevaron al desarrollo del transistor en 1947, el circuito integrado en 1958 y el MOSFET (transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor) en 1959.

Historia de los semiconductores

A partir de mediados del siglo XX, los semiconductores se convirtieron en la alternativa a los antiguos tubos eléctricos en la industria. Estos semiconductores presentaban numerosas mejoras, como la reducción de tamaño, consumo de energía y costos, así como el aumento de durabilidad y confiabilidad. Esta innovación revolucionó los campos de la electrónica y la informática.

El término semiconductor fue acuñado por Alessandro Volta en 1782. En 1833, Michael Faraday observó por primera vez el efecto producido por los semiconductores, al notar que el sulfuro de plata reducía su resistencia a bajas temperaturas, a diferencia de los metales. En 1851, se publicó un análisis detallado sobre la conductividad eléctrica del sulfuro de plata y el sulfuro de cobre.

En 1878, Edwin Herbert Hall descubrió el efecto Hall, en el que los portadores de carga eléctrica en los sólidos se desviaban por el campo magnético. Este fenómeno se utilizó posteriormente para estudiar las propiedades de los semiconductores.

En 1905, John Ambrose Fleming desarrolló el diodo de vacío, considerado el primer dispositivo electrónico, mientras buscaba un detector de señales eléctricas. Poco después, en 1907, Lee de Forest inventó el triodo, que no solo detectaba señales eléctricas, sino que también las amplificaba al agregar un tercer electrodo a la válvula.

Hacia 1915, el cristal de galena se utilizaba como detector de señales, y en la década de 1920 se emplearon rectificadores de selenio y óxido de cobre, reemplazando al detector de cristal con las válvulas de radio.

Entre 1920 y 1940, se desarrollaron el tetrodo y el pentodo, y los físicos elaboraron teorías para explicar los fenómenos descubiertos hasta ese momento.

En 1923, Walter H. Schottky publicó la teoría de los rectificadores secos, que fue la primera contribución teórica al estudio de los semiconductores y demostró la necesidad de la mecánica cuántica.

En 1928, Vladimir Zworykin desarrolló el iconoscopio, un dispositivo capaz de transformar una imagen óptica en una corriente eléctrica. Posteriormente, este tubo se modificó para obtener el tubo disector de imagen, que mostraba la imagen línea por línea en lugar de punto por punto. En 1945, la televisión comenzó a comercializarse en Norteamérica.

La industria electrónica experimentó un rápido desarrollo con técnicas de miniaturización y el uso de materiales robustos y ligeros en los dispositivos electrónicos.

En 1947, John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley crearon el primer transistor, fabricado con germanio y contactos eléctricos superpuestos. Este transistor mejoró el funcionamiento de las válvulas termoiónicas utilizadas para controlar, amplificar y generar señales electrónicas, lo que les valió el Premio Nobel en 1956.

Propiedades

Conductividad eléctrica variable

De forma natural, los semiconductores presentan una baja conductividad debido a que sus bandas de valencia se encuentran completamente ocupadas, lo que impide el flujo de electrones necesario para la corriente eléctrica. Sin embargo, se han desarrollado diversas técnicas que permiten que los materiales semiconductores actúen como conductores, como el dopaje y el gating. Estas modificaciones generan dos resultados: tipo n y tipo p, que se refieren al exceso o la escasez de electrones, respectivamente. Cuando hay un desequilibrio en el número de electrones, se crea la posibilidad de que una corriente eléctrica atraviese el material.

Heterouniones

Cuando se unen dos materiales semiconductores con dopajes diferentes, se forma lo que se conoce como heterounión. Por ejemplo, podemos tener una configuración donde el germanio está dopado con impurezas tipo p y tipo n. Esto crea un intercambio de electrones y huecos entre los materiales semiconductores con diferentes dopajes. En el germanio dopado con impurezas tipo n, hay un exceso de electrones, mientras que, en el germanio dopado con impurezas tipo p, hay un exceso de huecos. Este intercambio continúa hasta que se alcanza un equilibrio a través de un proceso llamado recombinación, donde los electrones provenientes del material tipo n se combinan con los huecos provenientes del material tipo p. Como resultado de este proceso, se forma una región estrecha con iones inmóviles, lo que crea un campo eléctrico a través de la unión.

Electrones excitados

Cuando se aplica una diferencia de potencial eléctrico a un material semiconductor, este se aleja del equilibrio térmico y se crea una situación de desequilibrio. Esto provoca la introducción de electrones y huecos en el sistema, los cuales interactúan a través de un proceso conocido como difusión ambipolar. Cada vez que se perturba el equilibrio térmico en un semiconductor, el número de electrones y huecos cambia. Estas perturbaciones pueden ser causadas por una diferencia de temperatura o por la absorción de fotones, los cuales pueden ingresar al sistema y generar electrones y huecos. El proceso de creación de electrones y huecos se llama generación, mientras que el proceso de aniquilación mutua de electrones y huecos se denomina recombinación.

Emisión de luz

En determinados semiconductores, los electrones excitados tienen la capacidad de liberar energía en forma de luz en lugar de generar calor. Estos semiconductores se emplean en la fabricación de dispositivos como diodos emisores de luz (LEDs) y puntos cuánticos fluorescentes.

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Kilo tapias peralta Escobar

Soy el fundador de Corporación KRONOZ, divulgador de ciencia, amante de la naturaleza, y fiel creyente del error y superación del ser humano, “El tiempo es solo una mera ilusión, el pasado, el presente y el futuro, existen simultáneamente, como parte de un rompecabezas, sin principio ni final”.

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