Fundamentos de los Semiconductores y Electrones de Valencia

Los semiconductores, con su capacidad única para controlar el flujo eléctrico, son vitales en la electrónica moderna. Elementos como el silicio y el germanio, con sus cuatro electrones de valencia, forman la base de estos materiales. La banda prohibida determina la conductividad, variando con la temperatura y el dopaje. Los semiconductores compuestos amplían las aplicaciones a LEDs, láseres y más.

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Fundamentos de los Semiconductores y Electrones de Valencia

Los semiconductores son materiales cuyas propiedades eléctricas se sitúan entre los conductores, que permiten el flujo de electricidad, y los aislantes, que lo impiden. Estos materiales son esenciales en la fabricación de dispositivos electrónicos debido a su capacidad para controlar el flujo de corriente. Los electrones de valencia, situados en la capa más externa de los átomos, son cruciales en la conductividad de los semiconductores, ya que participan en la formación de enlaces químicos y en la conducción eléctrica. Elementos como el silicio (Si) y el germanio (Ge), con cuatro electrones de valencia, son semiconductores puros comunes. La banda prohibida o band gap es la energía necesaria para mover un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción, siendo un factor clave en la conductividad del material. Los aislantes tienen un band gap grande (Eg > 9eV), mientras que los conductores tienen un band gap pequeño o inexistente (0 ≤ Eg < 1eV).

Obleas de silicio dispuestas en patrón circular sobre superficie reflectante en laboratorio, con mano enguantada manipulándolas cuidadosamente.

Estructura de Bandas y Conductividad en Semiconductores

La estructura de bandas de un semiconductor define las zonas de energía donde los electrones pueden existir. La banda de valencia está llena de electrones en un estado de baja energía, mientras que la banda de conducción está a un nivel de energía superior y normalmente vacía en condiciones de equilibrio. La banda prohibida (Eg) es la región de energía entre estas dos bandas donde no pueden existir electrones. A temperatura ambiente, algunos electrones pueden absorber energía térmica suficiente para saltar al nivel de conducción, convirtiéndose en portadores de carga y aumentando la conductividad. El silicio (Si) tiene un band gap de aproximadamente 1.12 eV, adecuado para dispositivos electrónicos que operan a temperatura ambiente, mientras que el germanio (Ge) tiene un band gap de 0.66 eV, lo que lo hace más conductivo a bajas temperaturas. Materiales con band gaps más grandes, como el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN), son útiles en aplicaciones de alta temperatura y alta potencia.

Semiconductores Intrínsecos y la Regla del Octeto

Los semiconductores intrínsecos son aquellos que no contienen impurezas y cuya conductividad depende de la pureza del material. La regla del octeto, que indica que los átomos buscan completar un conjunto de ocho electrones en su capa de valencia para lograr estabilidad, es esencial para comprender la formación de enlaces covalentes en estos materiales. En el silicio, cada átomo comparte sus cuatro electrones de valencia con otros átomos de silicio adyacentes, creando una red cristalina estable. A temperaturas mayores a 0 K, algunos enlaces se rompen espontáneamente, liberando electrones y creando huecos, que son las posiciones vacantes dejadas por los electrones y que actúan como portadores de carga positiva.

Semiconductores Compuestos y sus Aplicaciones

Los semiconductores compuestos se crean combinando elementos de diferentes grupos del sistema periódico para obtener propiedades específicas. Los compuestos III-V, como el arseniuro de galio (GaAs) y el fosfuro de indio (InP), y los compuestos II-VI, como el telururo de cadmio (CdTe) y el sulfuro de cinc (ZnS), tienen band gaps que varían ampliamente y son fundamentales en la fabricación de dispositivos optoelectrónicos. Estos materiales se utilizan en la producción de diodos emisores de luz (LEDs), láseres, células fotovoltaicas y transistores de alta frecuencia, aprovechando sus propiedades únicas para aplicaciones específicas en la electrónica y la fotónica.

Conductividad en Semiconductores Intrínsecos y la Influencia de la Temperatura

En los semiconductores intrínsecos, la conductividad aumenta con la temperatura debido a la mayor generación de portadores de carga, electrones y huecos. La concentración intrínseca de portadores (ni) se relaciona con la temperatura (T) a través de la ecuación ni = B * T^3/2 * e^(-Eg/2kT), donde B es una constante que depende del material, T es la temperatura en kelvin, Eg es la banda prohibida y k es la constanta de Boltzmann. Con el incremento de la temperatura, más electrones adquieren la energía necesaria para superar la banda prohibida, lo que resulta en un aumento de la conductividad. Este fenómeno es vital para el diseño y la operación de dispositivos semiconductores en distintos entornos térmicos.

Semiconductores Dopados y la Generación de Portadores Mayoritarios y Minoritarios

El dopaje es un proceso que incrementa la conductividad de los semiconductores al introducir impurezas controladas. Los semiconductores tipo n se dopan con elementos del grupo V, como el fósforo (P), que aportan electrones adicionales, mientras que los semiconductores tipo p se dopan con elementos del grupo III, como el boro (B), que crean huecos adicionales. Los portadores mayoritarios son los portadores de carga predominantes en el material (electrones en tipo n y huecos en tipo p), y los portadores minoritarios son los opuestos, que se generan por excitación térmica. La proporción de portadores mayoritarios a minoritarios es crucial para las propiedades eléctricas del semiconductor y su funcionamiento en circuitos electrónicos.

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