1. Conozcamos los semiconductores.
Hoy, mientras estudiaba de madrugada, de repente me llamó la atención el término semiconductor. Para mí ya es una palabra familiar, pero recuerdo que, cuando la escuché por primera vez, me resultó muy desconocida.
Entonces, ¿qué es un semiconductor?
Actualmente, los semiconductores son un tema de gran interés y también aparecen con mucha frecuencia en el mercado bursátil. ¡Hablemos de ellos!
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Figura 1. Oblea de silicio
¡Qué es un semiconductor!
Un semiconductor es un material de gran importancia industrial cuya capacidad para conducir corriente eléctrica puede controlarse según las condiciones.
Además, su conductividad puede cambiar considerablemente dependiendo de factores como el dopaje, la temperatura, el campo eléctrico y la luz.
Está formado por una banda de valencia (valence band) y una banda de conducción (conduction band). Entre ambas existe una diferencia de energía llamada banda prohibida o brecha de banda (band gap). Gracias a portadores de carga como los huecos (holes) y los electrones (electrons), es posible obtener el comportamiento eléctrico deseado.
Los semiconductores se utilizan principalmente en LED, células solares, sensores y otros dispositivos electrónicos. También constituyen una base fundamental de las tecnologías de conversión de energía.
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Definición de semiconductor en una sola frase
Un semiconductor es un material en el que los estados energéticos de los electrones forman bandas dentro del sólido y cuya brecha de banda, Eg, tiene un tamaño adecuado para permitir la generación y el movimiento de electrones y huecos.
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Palabras clave
Estructura de bandas (band structure), brecha de banda (band gap, Eg), electrones (electrons) y huecos (holes).
Figura 2. Esquema conceptual de la banda de valencia, la banda de conducción y la brecha de banda Eg
2. ¿Cómo se utilizan los semiconductores en la industria?
El principal valor de los semiconductores consiste en que permiten controlar la cantidad de corriente mediante el diseño del dispositivo.
En particular, su mayor ventaja es que pueden bloquear o permitir el paso de corriente en el momento deseado.
Los conductores no tienen una brecha de banda significativa, por lo que la corriente puede fluir con facilidad.
En cambio, los aislantes poseen una brecha de banda demasiado grande, por lo que resulta muy difícil hacer que conduzcan corriente.
Los semiconductores se encuentran entre ambos casos.
Al aplicar una cantidad determinada de energía, es posible hacer que conduzcan o que dejen de conducir corriente.
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3. Tres principios fundamentales
3.1 Estructura de bandas y brecha de banda
En un sólido, los electrones no pueden tener cualquier valor de energía, sino que se distribuyen principalmente en la banda de valencia y la banda de conducción.
La diferencia de energía entre ambas bandas se denomina brecha de banda, Eg. En general, cuanto menor es Eg, más fácil resulta generar portadores de carga mediante calor o luz.
Eg está directamente relacionada con la absorción y la emisión de luz.
3.2 Portadores de carga: electrones y huecos
En los semiconductores, la corriente eléctrica es transportada por electrones y huecos.
Un hueco no representa el movimiento de una partícula real con carga positiva. Es un concepto utilizado para describir un estado vacío dejado por un electrón en la banda de valencia.
Como ejemplo sencillo, del mismo modo que el agua de lluvia fluye hacia una zona más baja, los electrones tienden a desplazarse hacia los estados vacíos correspondientes a los huecos.
3.3 Dopaje y semiconductores de tipo p y tipo n
El dopaje consiste en añadir intencionadamente una cantidad muy pequeña de impurezas a un semiconductor para controlar sus propiedades electrónicas en la dirección deseada.
Dependiendo del dopaje, se obtiene un semiconductor de tipo n o de tipo p. La unión p-n constituye la estructura básica de numerosos dispositivos.
En un semiconductor de tipo n, se añaden elementos capaces de aportar un electrón adicional. Como resultado, se forman estados donadores ligeramente por debajo de la banda de conducción.
En un semiconductor de tipo p, se añaden elementos con un electrón menos. Esto genera estados aceptores ligeramente por encima de la banda de valencia y aumenta la cantidad de huecos.
Figura 3. Esquema conceptual de una unión p-n, la región de agotamiento, la difusión y la deriva
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4. Aplicaciones representativas
4.1 Operaciones lógicas y conmutación: transistores
Un transistor es un dispositivo que utiliza un campo eléctrico para modificar la conductividad de un canal y crear estados de encendido y apagado, es decir, ON y OFF.
Los circuitos integrados CMOS constituyen una estructura fundamental de la informática moderna.
Ejemplo real
Las CPU y las memorias procesan los valores 0 y 1 mediante la conmutación de transistores.
A medida que disminuye el tamaño de los dispositivos, factores como la corriente de fuga, los defectos de interfaz y la degradación influyen cada vez más en su rendimiento.
Figura 4. Esquema de la sección transversal de un MOSFET
4.2 Semiconductores de potencia
Los semiconductores de potencia incluyen materiales y dispositivos capaces de reducir las pérdidas energéticas y facilitar la gestión térmica en condiciones de alta tensión, alta corriente y alta frecuencia.
Materiales representativos
Si: se caracteriza por sus procesos de fabricación maduros y su bajo coste.
SiC: resulta adecuado para aplicaciones de alta tensión y alta temperatura. Su uso está aumentando en inversores para vehículos eléctricos.
GaN: es adecuado para dispositivos de alimentación de alta frecuencia y alta eficiencia.
4.3 Interacción con la luz: LED, células solares y fotodetectores
La brecha de banda es una variable fundamental que determina las longitudes de onda de absorción y emisión de luz.
Los LED emiten luz mediante la recombinación de electrones y huecos. Las células solares absorben luz, generan portadores de carga y los separan para producir corriente eléctrica..
Figura 5. Esquema conceptual de la recombinación y la emisión de luz en un LED
4.4 Uso como fotocatalizador
Las propiedades de los semiconductores pueden aprovecharse en numerosas aplicaciones. Uno de los ejemplos más representativos es la fotocatálisis.
Ejemplo real
Aprovechando la separación de electrones y huecos, pueden producirse diferentes reacciones en las zonas que actúan como fotoánodo y fotocátodo.
También es posible controlar la reactividad modificando la composición del catalizador o utilizando técnicas como el dopaje y la incorporación de cocatalizadores.
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5. Resumen
Los semiconductores son materiales cuya conductividad puede variar considerablemente según las condiciones, debido a su estructura de bandas y a su brecha de banda.
La concentración y movilidad de electrones y huecos, así como el dopaje y el diseño de las uniones, determinan el rendimiento de los dispositivos.
Los semiconductores desempeñan un papel fundamental en numerosos sectores industriales, como los transistores, los dispositivos de potencia, los LED, las células solares y los sensores.
Además, sus propiedades pueden aprovecharse en campos como la catálisis y las energías renovables. Actualmente, la investigación relacionada con estos materiales continúa desarrollándose de manera muy activa.
¡¡Ánimo a todos con los estudios!!
Si encuentran algún error o algún punto que debería complementarse, por favor, háganmelo saber.
