Semiconductores, ¿Por qué no son ni conductores ni aislantes?

Juan Carlos G 2020-01-03
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Semiconductores, ¿Por qué no son ni conductores ni aislantes?

Bienvenido a este curso de semiconductores, a lo largo de 7 capítulos aprenderás todo sobre estos materiales y dispositivos electrónicos, descubre el funcionamiento de los diodos y con mi mi calculadora de resistencias podrás obtener la resistencia de tus LED, así que no puedes perder ninguna de estas clases que forman parte de mi curso básico de electrónica.

 

 

¿Qué son los semiconductores?

Los semiconductores son aquellos materiales cuya conductividad se encuentra entre la de un buen conductor, es decir, son materiales que no son tan buenos conductores como los metales, pero tampoco son malos conductores como los aislantes.

 

Clases de semiconductores

Los materiales lo podemos dividir en dos clases según su composición física, estos pueden ser de un solo cristal o compuestos.

 

2 ejemplos de Semiconductores de un solo cristal

Los semiconductores de un solo cristal son aquellos que tienen una estructura cristalina repetitiva, por ejemplo:

  • Germanio (Ge)
  • Silicio (Si), el más utilizado en el mundo

 

5 ejemplos de Semiconductores compuestos

Los semiconductores de estructura compuesta son aquellos que se componen de dos o más materiales semiconductores de diferentes estructuras atómicas, por ejemplo:

  • Arseniuro de galio (GaAs)
  • Sulfuro de cadmio (CdS)
  • Nitruro de galio (GaN)
  • Fosfuro de galio (GaP)
  • Arsénico (As)

 

Ahora si vemos la tabla periódica podemos ver los siguientes químicos semiconductores los cuales resumo con su grupo y su electrón de valencia

 

Elemento Valencia e- Grupo
Cd 2 12
AI, Ga, B, In 3 13
Si, C, Ge 4 14
P, As, Sb 5 15
Se, Te, S 6 16

 

¿Cuáles son los semiconductores más usados en el mundo?

Aquí te dejo un ejemplo de los tres semiconductores más usados en la construcción de componentes electrónicos los cuales son Germanio, Silicio y Arseniuro de galio.

En un inicio el Germanio domino la construcción de componentes electrónicos justo en las décadas en que se descubrió el diodo 1939 y la creación de los primeros transistores en 1949, sin embargo, los especialistas y científicos de aquellos tiempos se dieron cuenta que otro material tenia características mucho mejores que el Germanio y este material es el Silicio.

En 1954 se presentó el primer transistor hecho de Silicio y este material de inmediato se transformó en el material semiconductor preferido por los fabricantes, debido a que es menos sensible a la temperatura y es el material más abundante en la naturaleza lo que garantiza su disponibilidad y hoy en día los encontramos en muchísimos circuitos eléctricos.

En la década de 1970 se crea el primer transistor de Arseniuro de galio el cual es eléctricamente supera al Silicio, sin embargo, el proceso de refinación es mucho más complejo que el del Silicio y por ende mucho más caro, a pesar de esto los semiconductores de Arseniuro de galio tiene aplicaciones en el diseño de circuitos integrados a gran escala de alta velocidad (VLSI).

Como vemos el Silicio es el material más usado en el mundo por ser más barato de refinar y no cuesta tanto llevarlo a purezas muy altas, sin embargo, aún se construyen dispositivos hechos de Germanio y sobre todo de Arseniuro de galio.

 

Estructura del Silicio
Estructura del Silicio

 

 

Componentes semiconductores

Aquí te dejo una lista de los componentes que analizaremos en los siguientes capítulos para que complementes tus conocimientos.

 

 

Enlace covalente

Un enlace covalente se forma cuando dos átomos comparten uno o más pares de electrones, y partiendo de esta idea expliquemos los siguiente.

Todo átomo está compuesto por tres particularidades básicas: electrón, protón y neutrón de los cuales los protones y neutrones forman el núcleo mientras los electrones se encuentran en orbitas fijas al rededor del núcleo según lo expone el modelo del átomo de Bohr.

Los átomos que tienen cuatro electrones de valencia se les conoce como tetravalentes, por ejemplo, el Germanio y Silicio, a los que tienen tres se les conoce como trivalentes, por ejemplo, el Galio y a los que tienen cinco se les llama pentavalentes como el Arsénico.

El termino valencia indica que el potencial de ionización requerido para remover cualquiera de estos electrones de la estructura atómica es significativamente menor que cualquier otro electrón en la estructura del átomo.

En los átomos tetravalentes los cuatro electrones de valencia forman un arreglo de enlaces con cuatro átomos adyacentes, a este tipo de enlaces se le conoce como enlace covalente y crean un enlace muy fuerte entre los electrones de valencia y los átomos padres, aun cuando este enlace es muy fuerte los electrones de valencia logran absorber suficiente energía cinética de causas externas que son capaces de romper dichos enlaces covalentes y asumir el estado de electrón libre.

El termino de estado libre se refiere a que los electrones se han separados de la estructura enlazada y son muy sensibles a cualquier campo eléctrico aplicado o diferencia de potencial.

 

Enlace covalente del átomo de Silicio
Enlace covalente del átomo de Silicio

 

 

Semiconductores intrínsecos

Los semiconductores intrínsecos son aquellos materiales que han pasado por un cuidadoso proceso de refinación para reducir al máximo el número de impurezas, en pocas palabras lo que se intenta es llevarlo al estado más puro posible.

Los electrones libres en un material semiconductor se conocen como portadores intrínsecos y son una de las características más importante en este tipo de materiales ya que determinan la movilidad relativa de los portadores libres en el material, produciendo tiempos de respuesta diferentes en los componentes electrónicos, por ejemplo, los portadores libres del GaAs es mayor de 5 veces que la de los portadores libres en el Si.

 

Diferencia entre los conductores y semiconductores

La principal diferencia radica en su reacción ante la aplicación de calor, para el caso de los conductores la resistencia eléctrica interna del material aumenta en cuanto aumenta el calor y esto se debe a que los portadores libres en el conductor no aumentan de manera significativa con el aumento de la temperatura, lo que dificulta cada vez más el movimiento y flujo de los portadores a través del material, a los materiales con este comportamiento se dice que tienen un coeficiente de temperatura positivo.

A diferencia de los materiales conductores, los materiales semiconductores aumentan su capacidad conductiva ante el incremento de calor ya que, al aumentar el calor, los electrones de valencia absorben una gran cantidad de energía térmica que les permite romper los enlaces covalentes incrementando la cantidad de portadores libres en el material, por lo tanto, los materiales semiconductores tienen un coeficiente de temperatura negativo.

 

Niveles de energía

En cada átomo aislado hay niveles de energías asociados con cada capa y orbita de los electrones, por lo que se dice que cuanto más está alejado un electrón del núcleo del átomo, mayor es su estado de energía y que un electrón que ha abandonado a su átomo padre tiene un estado de energía mayor que cualquier electrón en la estructura del átomo.

La banda de valencia de un material tiene o puede tener diferentes niveles de energía y aquí radica la característica de los semiconductores para comportarse como aislantes o conductores, existe una brecha entre la banda de valencia y la banda de conducción y cuando los electrones reciben el estímulo adecuado saltan a la banda de conducción mejorando las propiedades conductivas y disminuyendo las de aislante, por lo contrario si los átomos no reciben o no superan los niveles de energía de la banda de valencia las propiedades de aislante se incrementan.

Esta brecha de energía revela que los elementos semiconductores son útiles en la construcción de varios tipos de LED ya que, en cuanto más grande sea la brecha de energía, mayor es la posibilidad de que la energía se libere en forma de luz visible e invisible (infrarrojo). Lo que no ocurre en los materiales conductores ya que el traslape de la banda de valencia y la banda de conducción causa que toda la energía liberada por los portadores libres se disipe en forma de calor.

En el caso del GaAs la brecha es suficientemente grande para producir radiación luminosa, para el caso de los LED el nivel de dopado y los materiales seleccionados definen el color.

 

Niveles de energía en los materiales
Niveles de energía en los materiales

 

 

Materiales extrínsecos

Las características de un material semiconductor se pueden modificar significativamente agregando átomos de impurezas específicas, estas impurezas por muy pequeñas que sean pueden alterar la estructura de las bandas cambiando por completo las propiedades eléctricas del material. Al material semiconductor sometido a un proceso de dopado o que se le ha agregado impurezas se conoce como material extrínseco y hay dos tipos de materiales extrínsecos de gran importancia en la fabricación de componentes electrónicos y los materiales tipo p y n.

 

Materiales tipo n

Los materiales tipo n se forman agregando determinado número de átomos de impurezas a un material semiconductor como el Silicio el cual es el semiconductor más utilizado hoy en día. La creación de un material tipo n se lleva acabo agregando impurezas pentavalentes, es decir, se agregan materiales que contienen cinco electrones de valencia, por ejemplo, el antimonio, arsénico y fosforo.

Lo que se consigue con las impurezas es agregar portadores libres ya que dentro de los enlaces covalentes existe un electrón libre y fijado de manera frágil al enlace, las impurezas con cinco electrones de valencia se conocen como átomos donadores.

A pesar de que se agregan portadores libres al semiconductor el material tipo n sigue siendo eléctricamente neutro ya que sigue existiendo la misma cantidad de protones que electrones, el resultado de agregar impurezas es que a temperatura ambiente se tiene un gran número de portadores en el nivel de conducción incrementando el nivel de conductividad del material, por ejemplo, en un material Si intrínseco a temperatura ambiente hay aproximadamente un electrón libre por cada 10 a la 12 átomos y si el nivel de dopado es de 1 en 10 millones se calcula que la concentración de portadores se incrementa de 100000 a 1.

 

Materiales tipo p

Hacen referencia a los materiales semiconductores dopados con impurezas que tienen tres electrones de valencia y los materiales utilizados para agregar impurezas son el boro, galio e indio.

Este tipo de impurezas cumple con el número de electrones para un enlace covalente, sin embargo, hace falta un electrón, a este vacío resultante se le llama hueco y se denota como un circulo o un signo de más haciendo referencia a que falta una carga positiva, este hueco aceptara fácilmente un electrón libre. Las impurezas con tres electrones de valencia se llaman átomos aceptores.

 

Flujo de electrones y huecos

Cuando un electrón de valencia adquiere suficiente energía para romper su enlace covalente llena el vacío credo por un hueco, sin embargo, deja un hueco en la banda covalente, durante este efecto se dice que los electrones se transfieren hacia la derecha y los huecos se transfieren a la izquierda.

 

Portadores mayoritarios y minoritarios

En un material tipo n el electrón es llamado portador mayoritario y el hueco portador minoritario, dado que en el estado intrínseco el número de electrones libres en Ge o Si se debe a los electrones que rompen la banda covalente dejando una fuente muy limitada de huecos, esto quiere decir que en el material tipo n el número de huecos no cambia significativamente con respecto a este nivel intrínseco. Por otra parte, en el material tipo p, el hueco es el portador mayoritario y el electrón el minoritario.

 

Aplicaciones de los semiconductores

Es increíble las aplicaciones o aparatos electrónicos que derivan o contienen semiconductores en su interior, ya que hoy en día prácticamente todo los dispositivos que tenemos en los hogares utilizan un puente de diodos y diversos tipos de diodos para funcionar, y uno de lo aparatos mas representativo sin duda son las lámparas de LED o tiras de LED ya que su eficiencia nos permite ahorrar bastante en nuestro recibo eléctrico, y en Todito LED tenemos excelentes artículos al respecto, por favor visitalos.

 

 

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Juan Carlos G

Electrónica y diseño web


Cree este blog para compartir uno de los temas que más me apasionan que es la electrónica, por lo tanto, además de tutoriales de electrónica, encontrarás en algunas páginas recomendaciones de productos relacionados a los LED principalmente.

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