Semiconductores 224u10

Introducción

Los semiconductores son elementos que tienen una conductividad eléctrica inferior a la de un conductor metálico pero superior a la de un buen aislante. El semiconductor más utilizado es el silicio, que es el elemento más abundante en la naturaleza, después del oxígeno. Otros semiconductores son el germanio y el selenio. Los átomos de silicio tienen su orbital externo incompleto con sólo cuatro electrones, denominados electrones de valencia. Estos átomos forman una red cristalina, en la que cada átomo comparte sus cuatro electrones de valencia con los cuatro átomos vecinos, formando enlaces covalentes. A temperatura ambiente, algunos electrones de valencia absorben suficiente energía calorífica para librarse del enlace covalente y moverse a través de la red cristalina, convirtiéndose en electrones libres. Si a estos electrones, que han roto el enlace covalente, se les somete al potencial eléctrico de una pila, se dirigen al polo positivo.

Materiales Semiconductores

Los primeros semiconductores utilizados para fines técnicos fueron pequeños detectores diodos empleados a principios del siglo 20 en los primitivos radiorreceptores, que se conocían como “de galena”. Ese nombre lo tomó el radiorreceptor de la pequeña piedra de galena o sulfuro de plomo (PbS) que hacía la función de diodo y que tenían instalado para sintonizar las emisoras de radio. La sintonización se obtenía moviendo una aguja que tenía dispuesta sobre la superficie de la piedra. Aunque con la galena era posible seleccionar y escuchar estaciones de radio con poca calidad auditiva, en realidad nadie conocía que misterio encerraba esa piedra para que pudiera captarlas. En 1940 Russell Ohl, investigador de los Laboratorios Bell, descubrió que si a ciertos cristales se le añadía una pequeña cantidad de impurezas su conductividad eléctrica variaba cuando el material se exponía a una fuente de luz. Ese descubrimiento condujo al desarrollo de las celdas fotoeléctricas o solares. Posteriormente, en 1947 William Shockley, investigador también de los Laboratorios Bell, Walter Brattain y John Barden, desarrollaron el primer dispositivo semiconductor de germanio (Ge), al que denominaron “transistor” y que se convertiría en la base del desarrollo de la electrónica moderna. Los "semiconductores" como el silicio (Si), el germanio (Ge) y el selenio (Se), por ejemplo, constituyen elementos que poseen características intermedias entre los cuerpos conductores y los aislantes, por lo que no se consideran ni una cosa, ni la otra. Sin embargo, bajo determinadas condiciones esos mismos elementos permiten la circulación de la corriente eléctrica en un sentido, pero no en el sentido contrario. Esa propiedad se utiliza para rectificar corriente alterna, detectar señales de radio, amplificar señales de corriente eléctrica, funcionar como interruptores o compuertas utilizadas en electrónica digital, etc.

Lugar que ocupan en la Tabla Periódica los trece elementos con.características de semiconductores, identificados con su correspondiente.número atómico y grupo al que pertenecen. Los que aparecen con fondo.

gris corresponden a “metales”, los de fondo verde a “metaloides” y los de.fondo azul a “no metales”.

Esos elementos semiconductores que aparecen dispuestos en la Tabla Periódica constituyen la materia prima principal, en especial el silicio (Si), para fabricar diodos detectores y rectificadores de corriente, transistores, circuitos integrados y microprocesadores. Los átomos de los elementos semiconductores pueden poseer dos, tres, cuatro o cinco electrones en su última órbita, de acuerdo con el elemento específico al que pertenecen. No obstante, los elementos más utilizados por la industria electrónica, como el silicio (Si) y el germanio (Ge), poseen solamente cuatro electrones en su última órbita. En este caso, el equilibrio eléctrico que proporciona la estructura molecular cristalina característica de esos átomos en estado puro no les permite ceder, ni captar electrones. Normalmente los átomos de los elementos semiconductores se unen formando enlaces covalentes y no permiten que la corriente eléctrica fluya a través de sus cuerpos cuando se les aplica una diferencia de potencial o corriente eléctrica. En esas condiciones, al no presentar conductividad eléctrica alguna, se comportan de forma similar a un material aislante.

TABLA DE ELEMENTOS SEMICONDUCTORES Grupo en la Electrones Número Nombre del Categorí Números Tabla en la última Atómico Elemento a de valencia Periódica órbita 48

Cd (Cio)

5

B (Boro)

13

Al (Aluminio)

31

Ga (Galio)

49

In (Indio)

14

Si (Silicio)

32

Ge (Germanio)

15

P (Fósforo)

IIa

IIIa

2 e-

+2

Metaloide 3 e-

+3

Metal

Metal

4 e-

IVa

Metaloide

Va

No metal 5 e-

+4

+3, -3, +5

33

As (Arsénico)

51

Sb (Antimonio)

16

S (Azufre)

34

Se (Selenio)

52

Te (Telurio)

Metaloide

VIa

No metal

6 e-

+2, -2 +4, +6

Metaloide

Incremento de la conductividad en un elemento semiconductor La mayor o menor conductividad eléctrica que pueden presentar los materiales semiconductores depende en gran medida de su temperatura interna. En el caso de los metales, a medida que la temperatura aumenta, la resistencia al paso de la corriente también aumenta, disminuyendo la conductividad. Todo lo contrario ocurre con los elementos semiconductores, pues mientras su temperatura aumenta, la conductividad también aumenta. En resumen, la conductividad de un elemento semiconductor se puede variar aplicando uno de los siguientes métodos: 

Elevación de su temperatura



Introducción de impurezas (dopaje) dentro de su estructura cristalina



Incrementando la iluminación.

Con relación a este último punto, algunos tipos de semiconductores, como las resistencias dependientes de la luz (LDR – Light-dependant resistors), varían su conductividad de acuerdo con la cantidad de luz que reciben.

Resistencia dependiente de la luz (LDR), conocida también como fotorresistor o célula fotoeléctrica. Posee la característica de disminuir el valor de su resistencia interna cuando la intensidad de luz que incide sobre la superficie de la celda aumenta. Como material o elemento semiconductor utiliza el sulfuro de cio (CdS) y su principal aplicación es en el encendido y apagado automático del alumbrado público en las calles de las ciudades, cuando disminuye la luz solar.

En dependencia de cómo varíen los factores de los puntos más arriba expuestos, los materiales semiconductores se comportarán como conductores o como aislantes.

La conductividad eléctrica de los cuerpos materiales (σ) constituye la capacidad que tienen de conducir la corriente eléctrica. La fórmula matemática para hallar la conductividad es la siguiente:

Como se puede apreciar en esta fórmula, la conductividad (σ) se obtiene hallando primeramente el resultado de la recíproca de la resistencia (o sea, 1/R) multiplicándolo a continuación por el resultado que se obtiene de dividir la longitud del material (L) entre su área (A). En esa fórmula se puede observar también que la resistencia (R) es inversamente proporcional a (σ), por lo que, a menor resistencia en ohm de un cuerpo, la conductividad resultante será mayor.

SEMICONDUCTORES "INTRÍNSECOS" Los materiales semiconductores, según su pureza, se clasifican de la siguiente forma: 1. Intrínsecos 2. Extrínsecos Se dice que un semiconductor es “intrínseco” cuando se encuentra en estado puro, o sea, que no contiene ninguna impureza, ni átomos de otro tipo dentro de su estructura. En ese caso, la cantidad de huecos que dejan los electrones en la banda de valencia al atravesar la banda prohibida será igual a la cantidad de electrones libres que se encuentran presentes en la banda de conducción. Cuando se eleva la temperatura de la red cristalina de un elemento semiconductor intrínseco, algunos de los enlaces covalentes se rompen y varios electrones pertenecientes a la banda de valencia se liberan de la atracción que ejerce el núcleo del átomo sobre los mismos. Esos electrones libres saltan a la banda de conducción y allí funcionan como “electrones de conducción”, pudiéndose desplazar libremente de un átomo a otro dentro de la propia estructura cristalina, siempre que el elemento semiconductor se estimule con el paso de una corriente eléctrica.

Como se puede observar en la ilustración, en el caso de los semiconductores el espacio correspondiente a la banda prohibida es mucho más estrecho en comparación con los materiales aislantes. La energía de salto de banda (Eg) requerida por los electrones para saltar de la banda de valencia a la de conducción es de 1 eV aproximadamente. En los semiconductores de silicio (Si), la energía de salto de banda requerida por los electrones es de 1,21 eV, mientras que en los de germanio (Ge) es de 0,785 eV.

Estructura cristalina de un semiconductor intrínseco, compuesta solamente por átomos de silicio (Si) que forman una celosía. Como se puede observar en la ilustración, los átomos de silicio (que sólo poseen cuatro electrones en la última órbita o banda de valencia), se unen formando enlaces covalente para completar ocho electrones y crear así un cuerpo sólido semiconductor. En esas condiciones el cristal de silicio se comportará igual que si fuera un cuerpo aislante.

SEMICONDUCTORES "EXTRÍNSECOS" Cuando a la estructura molecular cristalina del silicio o del germanio se le introduce cierta alteración, esos elementos semiconductores permiten el paso de la corriente eléctrica por su cuerpo en una sola dirección. Para hacer posible, la estructura molecular del semiconductor se dopa mezclando los átomos de silicio o de germanio con pequeñas cantidades de átomos de otros elementos o "impurezas". Generalmente los átomos de las “impurezas” corresponden también a elementos semiconductores que, en lugar de cuatro, poseen tres electrones en su última órbita [como el galio (Ga) o el indio (In)], o que poseen cinco electrones también en su última órbita [como el antimonio (Sb) o el arsénico (As)]. Una vez dopados, el silicio o el germanio se convierten en semiconductores “extrínsecos” y serán capaces de conducir la corriente eléctrica.

En la actualidad el elemento más utilizado para fabricar semiconductores para el uso de la industria electrónica es el cristal de silicio (Si) por ser un componente relativamente barato de obtener. La materia prima empleada para fabricar cristales semiconductores de silicio es la arena, uno de los materiales más abundantes en la naturaleza. En su forma industrial primaria el cristal de silicio tiene la forma de una oblea de muy poco grosor (entre 0,20 y 0,25 mm aproximadamente), pulida como un espejo.

A la izquierda se muestra la ilustración de una oblea (wafer) o cristal semiconductor de.silicio pulida con brillo de espejo, destinada a la fabricación de transistores y circuitos.integrados. A la derecha aparece la cuarta parte de la oblea conteniendo cientos de.minúsculos dados o “chips”, que se pueden obtener de cada una. Esos chips son los.que después de pasar por un proceso tecnológico apropiado se convertirán en.transistores o circuitos integrados. Una vez que los chips se han convertido en.transistores o circuitos integrados serán desprendidos de la oblea y colocados dentro.de una cápsula protectora con sus correspondientes conectores externos.

El segundo elemento también utilizado como semiconductor, pero en menor proporción que el silicio, es el cristal de germanio (Ge).

Durante mucho tiempo se empleó también el selenio (S) para fabricar diodos semiconductores en forma de placas rectangulares, que combinadas y montadas en una especie de eje se empleaban para rectificar la corriente alterna y convertirla en directa. Hoy en día, además del silicio y el germanio, se emplean también combinaciones de otros elementos semiconductores presentes en la Tabla Periódica. Placa individual de 2 x 2 cm de área, correspondiente a un antiguo diodo de selenio.

Entre esas combinaciones se encuentra la formada por el galio (Ga) y el arsénico (As) utilizada para obtener arseniuro de galio (GaAs), material destinado a la fabricación de diodos láser empleados como dispositivos de lectura en CDs de audio.

Lente (señalada con la flecha) detrás de la cual se encuentra instalado un diodo láser de arseniuro de galio (GaAs) empleado para leer datos de texto, presentaciones multimedia o música grabada en un CD. En esta ilustración el. CD se ha sustituido por un disco similar transparente de plástico común.

En el caso del silicio (Si) y el germanio (Ge) cuando se encuentran en estado puro, es decir, como elementos intrínsecos, los electrones de su última órbita tienden a unirse formando "enlaces covalentes", para adoptar una estructura cristalina. Los átomos de cualquier elemento, independientemente de la cantidad de electrones que contengan en su última órbita, tratan siempre de completarla con un máximo de ocho, ya sea donándolos o aceptándolos, según el número de valencia que le

corresponda

a

cada

átomo

en

específico.

Con respecto a los elementos semiconductores, que poseen sólo cuatro electrones en su última órbita, sus átomos tienden a agruparse formando enlaces covalentes, compartiendo entre sí los cuatro electrones que cada uno posee, según la tendencia de completar ocho en su órbita externa. Al agruparse de esa forma para crear un cuerpo sólido, los átomos del elemento semiconductor adquieren una estructura cristalina, semejante a una celosía. En su estado puro, como ya se mencionó anteriormente, esa estructura no conduce la electricidad, por lo que esos cuerpos semiconductores se comportan como aislantes.

Conclusión Semiconductor es un elemento que se comporta como un conductor o como un aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre.