Semiconductores: qué son, tipos (n y p), silicio y aplicaciones

Descubre qué son los semiconductores, diferencias entre tipo n y p, por qué el silicio domina y sus aplicaciones en transistores, electrónica y dispositivos modernos.

Un semiconductor es un material que en algunos casos conduce la electricidad pero en otros no. Los buenos conductores eléctricos, como el cobre o la plata, permiten que la electricidad fluya fácilmente a través de ellos. Los materiales que bloquean el flujo de electricidad, como la goma o el plástico, se llaman aislantes. Los aislantes se utilizan a menudo para proteger a las personas de las descargas eléctricas. Como su nombre indica, un semiconductor no conduce tan bien como un conductor. El silicio es el semiconductor más utilizado, pero también se usa el arseniuro de galio.

Mediante la adición de diferentes átomos en la red cristalina (rejilla) del semiconductor se modifica su conductividad haciendo semiconductores de tipo n y de tipo p. El silicio es el semiconductor comercial más importante, aunque se utilizan muchos otros. Se pueden fabricar transistores, que son pequeños amplificadores. Los transistores se utilizan en ordenadores, teléfonos móviles, reproductores de audio digitales y muchos otros dispositivos electrónicos.

Al igual que otros sólidos, los electrones de los semiconductores sólo pueden tener energías dentro de ciertas bandas (es decir, rangos de niveles de energía) entre la energía del estado básico, que corresponde a los electrones fuertemente ligados a los núcleos atómicos del material, y la energía de los electrones libres, que es la energía necesaria para que un electrón escape completamente del material.

Conceptos básicos y bandas de energía

En los semiconductores las bandas más importantes son la banda de valencia (ocupada por electrones ligados) y la banda de conducción (donde los electrones están libres para moverse). Entre ambas existe una separación llamada gap o banda prohibida. En el caso del silicio, la energía de banda prohibida es aproximadamente 1,12 eV a temperatura ambiente, lo que determina cómo responde el material a la temperatura y a la luz.

Intrínsecos y extrínsecos; dopado

Un semiconductor intrínseco es el material puro (por ejemplo silicio cristalino sin impurezas). Su conductividad es relativamente baja y depende mucho de la temperatura. Para obtener una conductividad controlada se introduce una pequeña cantidad de átomos de impurezas en un proceso llamado dopado, que convierte el material en un semiconductor extrínseco.

• Tipo n: Se dopan átomos donadores (con más electrones de valencia que el semiconductor). En silicio, dopantes típicos son fósforo, arsénico o antimonio. Estos átomos aportan electrones libres adicionales; los electrones son los portadores mayoritarios.
• Tipo p: Se dopan átomos aceptoras (con menos electrones de valencia). Ejemplos en silicio: boro, aluminio o galio. El dopado crea vacantes con carga positiva conocidas como huecos, que actúan como portadores mayoritarios.

Región p–n y comportamiento de diodos

Al unir materiales tipo p y tipo n se forma una unión p–n, elemento básico de diodos, fotodiodos y células solares. En la unión se crea una región de agotamiento sin portadores libres y aparece una barriera de potencial que impide el flujo espontáneo de carga. Al aplicar una tensión en directa (polarización directa) la barrera disminuye y la corriente fluye; en polarización inversa la barrera aumenta y la corriente es muy pequeña (excepto la corriente de fuga).

Transistores y circuitos integrados

Los transistores son dispositivos hechos con semiconductores que permiten amplificar o conmutar señales eléctricas. Hay dos familias principales:

• BJT (transistor bipolar): usa corriente de base para controlar la corriente colector-emisor.
• MOSFET (transistor de efecto campo): controla la corriente canal mediante una tensión en la puerta; es la base de la tecnología CMOS usada en la mayor parte de los microprocesadores y memorias.

Mediante la integración de millones o miles de millones de transistores en un solo chip de silicio se fabrican los circuitos integrados modernos (microprocesadores, memorias, ASICs).

Propiedades del silicio y otros semiconductores

• El silicio es abundante, tiene buena estabilidad térmica y forma una capa de óxido (SiO2) útil como aislante y en procesos de fabricación; por ello domina la industria de microelectrónica.
• El arseniuro de galio (GaAs) y otros semiconductores compuestos presentan ventajas en aplicaciones de alta frecuencia y fotónicas: GaAs tiene una banda prohibida directa, buena movilidad electrónica y se usa en LEDs, láseres y amplificadores de RF.
• La movilidad de portadores, la concentración de dopantes y la temperatura determinan la conductividad y el rendimiento en cada aplicación.

Fabricación y técnicas comunes

Algunos pasos y técnicas habituales en la fabricación de dispositivos a partir de silicio:

• Producción de obleas (wafers) monocristalinas mediante métodos como el proceso Czochralski.
• Dopado por difusión o implantación iónica para introducir impurezas con precisión.
• Oxidación y deposición de capas (por ejemplo SiO2, polisilicio, metales) para formar puertas, contactos y aislantes.
• Fotolitografía para definir patrones con luz y máscaras.
• Grabado químico y térmico, y pasos de metalización para interconectar dispositivos.
• Annealing y procesos térmicos para activar dopantes y reparar daños en la red cristalina.

Efecto de la temperatura y respuesta ante la luz

La conductividad de un semiconductor aumenta con la temperatura porque más electrones ganan suficiente energía para saltar a la banda de conducción (comportamiento opuesto al de los metales, donde la resistividad aumenta con la temperatura). Además, los semiconductores responden a la luz: los fotones con energía superior al gap generan pares electrón–hueco, principio básico de fotodetectores y células solares.

Aplicaciones principales

• Electrónica digital: microprocesadores, memorias y lógica CMOS.
• Electrónica de potencia: MOSFETs y IGBTs para control de motores, convertidores y gestión de energía.
• Optoelectrónica: LEDs, láseres, fotodiodos y detectores (GaAs, InP, etc.).
• Energía: células solares basadas en silicio y en semiconductores compuestos.
• Sensores y MEMS: detectores de presión, temperatura, acelerómetros y sensores integrados.
• Comunicaciones: amplificadores de RF, transceptores y dispositivos de alta frecuencia.

En resumen, los semiconductores —y en particular el silicio— son la base de la electrónica moderna. Controlando la composición (dopado), la geometría y las condiciones de fabricación se diseñan dispositivos con propiedades eléctricas precisas, desde una simple unión p–n hasta complejos microprocesadores que integran miles de millones de transistores.

Historia

Los semiconductores ya se estudiaban en los laboratorios en la década de 1830. En 1833, Michael Faraday experimentó con el sulfuro de plata. Descubrió que al calentar el material éste conducía mejor la electricidad. Esto era lo contrario de cómo actuaba el cobre. Cuando el cobre se calienta, conduce menos electricidad. Otros experimentadores descubrieron otras propiedades de los semiconductores. En 1947, en los Laboratorios Bell de Nueva Jersey, se inventó el transistor. Esto condujo al desarrollo de los circuitos integrados, que alimentan casi todos los dispositivos electrónicos actuales.

Semiconductor-doping

Preguntas y respuestas

P: ¿Qué es un semiconductor?

P: ¿Qué son los semiconductores de tipo n y de tipo p?

P: ¿Para qué se utiliza el silicio?

P: ¿Qué otros materiales se utilizan como semiconductores?

P: ¿Cómo se comportan los electrones en un material sólido?

P: ¿Por qué se utilizan a menudo los aislantes para proteger a las personas de las descargas eléctricas?

P: ¿Cómo funcionan los transistores?

Búsqueda por letra