Fundamentos de los Semiconductores

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Los semiconductores son materiales con conductividad eléctrica modificable por temperatura, iluminación y dopaje. Silicio y germanio son los más usados, formando estructuras cristalinas que permiten compartir electrones. La teoría de bandas explica su comportamiento eléctrico, diferenciando entre semiconductores intrínsecos y extrínsecos. Estos últimos, al ser dopados con impurezas, mejoran su conductividad y son vitales en dispositivos electrónicos como fotorresistores, diodos y transistores.

Resumen

Esquema

Fundamentos de los Semiconductores

Un semiconductor es un material que posee una conductividad eléctrica que se sitúa entre la de los metales conductores, como el cobre, y la de los aislantes, como el vidrio. Esta conductividad es sensible a condiciones como la temperatura y la iluminación, y puede ser alterada mediante la adición de impurezas, un proceso conocido como dopaje. Los elementos más utilizados en la fabricación de semiconductores son el silicio y el germanio, ambos con cuatro electrones en su capa de valencia, lo que les permite formar enlaces covalentes en estructuras cristalinas y compartir electrones de manera efectiva. La teoría de bandas de energía proporciona una explicación detallada de su comportamiento eléctrico, describiendo cómo los orbitales atómicos se solapan para formar bandas continuas que permiten o impiden el flujo de electrones. A temperaturas por encima del cero absoluto, algunos electrones pueden ganar la energía necesaria para saltar de la banda de valencia, que está llena en estado fundamental, a la banda de conducción, que está vacía o parcialmente llena, y así permitir el paso de la corriente eléctrica.

Obleas de silicio dispuestas en patrón circular en ambiente controlado de fabricación de semiconductores, reflejando luz con tonalidades azul-gris.

Teoría de Bandas y Conductividad en Semiconductores

La teoría de bandas es fundamental para comprender la conductividad en semiconductores. En un átomo aislado, los electrones ocupan niveles de energía definidos, pero en un cristal semiconductor, estos niveles se ensanchan y forman bandas de energía debido a la interacción entre los átomos vecinos. La banda de valencia contiene los electrones en estado de baja energía, mientras que la banda de conducción está a un nivel de energía superior y normalmente vacía a 0 K. Con el aumento de la temperatura, los electrones pueden absorber energía térmica suficiente para realizar la transición a la banda de conducción, creando así portadores de carga que permiten el flujo de corriente. Los semiconductores se distinguen de los metales, donde las bandas de valencia y conducción se solapan, permitiendo la libre circulación de electrones, y de los aislantes, que tienen una banda prohibida o gap energético tan amplio que impide el movimiento de electrones bajo condiciones normales.

Semiconductores Intrínsecos y Extrínsecos

Los semiconductores intrínsecos son aquellos que están compuestos por el material semiconductor en su estado puro y, a temperatura ambiente, su conductividad es muy baja debido a la mínima cantidad de portadores de carga libres. No obstante, al aplicar energía externa, como una diferencia de potencial o calor, se pueden generar pares electrón-hueco que facilitan la conducción eléctrica. Por otro lado, los semiconductores extrínsecos se obtienen al introducir átomos de impurezas en la red cristalina del semiconductor puro, lo que incrementa significativamente su conductividad. Estas impurezas pueden ser de tipo donador, que suministran electrones libres al material, o de tipo aceptor, que generan huecos al capturar electrones. Esto resulta en una mayor cantidad de portadores de carga, ya sean electrones en semiconductores tipo n o huecos en semiconductores tipo p, mejorando así la conductividad del material.

Proceso de Dopaje y Tipos de Impurezas en Semiconductores

El dopaje es un procedimiento controlado mediante el cual se añaden impurezas específicas a un semiconductor para cambiar sus propiedades eléctricas. Las impurezas donadoras, como el fósforo en el silicio, aportan electrones libres y crean semiconductores de tipo n, en los cuales la conducción eléctrica se debe principalmente a los electrones. En contraste, las impurezas aceptoras, como el boro, introducen huecos que facilitan la conducción de tipo p, caracterizada por el movimiento de estos huecos. Aunque los portadores mayoritarios, electrones en tipo n y huecos en tipo p, dominan la conductividad, los portadores minoritarios, que son generados por la excitación térmica de los electrones de la banda de valencia a la banda de conducción, también contribuyen al proceso de conducción, aunque en una escala mucho menor.

Aplicaciones de los Dispositivos Semiconductores

Los semiconductores son esenciales en una amplia gama de dispositivos electrónicos. Los fotorresistores o LDR son componentes que varían su resistencia eléctrica en respuesta a la intensidad de la luz incidente. Las uniones pn, que se forman al combinar regiones semiconductoras de tipo n y tipo p, crean una barrera de potencial que regula el flujo de corriente eléctrica. Los diodos Zener se utilizan para estabilizar voltajes, mientras que los diodos emisores de luz (LED) aprovechan las propiedades de las uniones pn para emitir luz. Además, los semiconductores son cruciales en la rectificación de corriente, que convierte la corriente alterna (AC) en corriente continua (DC), y en la amplificación de señales a través de transistores, que son dispositivos formados por la combinación de dos o más uniones pn y son capaces de controlar corrientes elevadas a partir de pequeñas señales de entrada, actuando como amplificadores o interruptores en circuitos electrónicos.