Definición de SEMICONDUCTORES
Contenido:
♦ Introducción. Materiales conductores
♦ Materiales aislantes o dieléctricos
♦ Materiales semiconductores
♦ Semiconductores «intrínsecos»
♦ Semiconductores «extrínsecos”
♦ Conversión del silicio en semiconductor «tipo-n» o en «tipo-p»
♦ Semiconductor de silicio «tipo-n»
♦ Semiconductor de silicio «tipo-p»
♦ Mecanismo de conducción de un semiconductor
Introducción
MATERIALES CONDUCTORES
Todos los cuerpos o elementos químicos existentes en la naturaleza poseen características diferentes, agrupadas todas en la denominada “Tabla de Elementos Químicos”. Desde el punto de vista eléctrico, todos los cuerpos simples o compuestos formados por esos elementos se pueden dividir en tres amplias categorías:
♦ Conductores
♦ Aislantes
♦ Semiconductores
Los materiales conductores ofrecen una baja resistencia al paso de la corriente eléctrica.
Los semiconductores se encuentran a medio camino entre los conductores y los aislantes, ya que en unos casos permiten la circulación de la corriente eléctrica y en otros no.
Finalmente, los cuerpos aislantes ofrecen una alta resistencia al paso de la corriente eléctrica. En la foto superior se muestran algunos de esos materiales:
A) Conductor de alambre de cobre.
B) Diodos
C) transistor (dispositivos semiconductores en ambos casos).
D) Aislantes de porcelana instalados en un transformador distribuidor de energía
eléctrica de bajo voltaje
E) Aislantes de vidrio soportando cables a la intemperie montados en un poste para distribución de energía eléctrica de media tensión. Los aislantes, al contrario de los conductores, constituyen materiales o cuerpos que ofrecen una alta resistencia al paso de la corriente eléctrica.
MATERIALES CONDUCTORES
En la categoría “conductores” se encuentran agrupados todos los metales que en mayor o menor medida conducen o permiten el paso de la corriente eléctrica por sus cuerpos. Entre los mejores conductores por orden de importancia para uso en la distribución de la energía eléctrica de alta, media y baja tensión, así como para la fabricación de componentes de todo tipo como dispositivos y equipos eléctricos y electrónicos, se encuentran el cobre (Cu), aluminio (Al), plata (Ag), mercurio (Hg) y oro (Au).
En general el núcleo de los átomos de cualquier elemento que forman todos los cuerpos sólidos, líquidos y gaseosos que conocemos se encuentran rodeados por una nube de electrones que giran su alrededor, distribuidos en una o en varias órbitas, capas o niveles de energía. Al átomo de cada elemento contemplado en la “Tabla de Elementos Químicos” le corresponde un número atómico que sirve para diferenciar las propiedades de cada uno de ellos. Ese número coincide también con la cantidad total de electrones que giran alrededor del núcleo de cada átomo en particular.
No obstante, independientemente de la cantidad total de electrones que le corresponda a cada elemento, en la última capa u órbita sólo pueden girar de uno a ocho electrones como máximo.
Banda de valencia
Como ya conocemos, todos átomos que integran cualquier cuerpo material poseen órbitas o capas, denominadas también niveles de energía, donde giran electrones alrededor de sus núcleos. La última de esas capas se denomina “banda de valencia” y es donde giran los electrones que en unos casos el átomo puede ser ceder, como ocurre con los metales y en otros casos puede atraer o captar de la banda de valencia de otros átomos cercanos. La banda de valencia es el nivel de energía que determina que un cuerpo se comporte como conductor, aislante o semiconductor.
En el caso de los metales en la última órbita o “banda de valencia” de sus átomos sólo giran entre uno y tres electrones como máximo, por lo que su tendencia es cederlos cuando los excitamos empleando métodos físicos o químicos. Las respectivas valencias de trabajo (o números de valencia) de los metales son las siguientes: +1, +2 y +3.
Esos números con signo positivo (+) delante, corresponden a la cantidad de electrones que pueden ceder los átomos de los metales, de acuerdo con la cantidad que contiene cada uno en la última órbita.
En general la mayoría de los elementos metálicos poseen conductividad eléctrica, es decir, se comportan como conductores de la electricidad en mayor o menor medida. Los que poseen un solo electrón (a los que les corresponde el número de valencia +1, como el cobre), son los que conducen la corriente eléctrica con mayor facilidad.
En los conductores eléctricos las bandas de energía, formadas por la banda de conducción y la banda de valencia del elemento metálico, se superponen facilitando que los electrones puedan saltar desde la última órbita de un átomo a la de otro de los que integran también las moléculas del propio metal. Es por eso que cuando se aplica corriente eléctrica a un circuito formado por conductores de cobre, por ejemplo, los electrones fluyen con facilidad por todo el cuerpo metálico del alambre que integra el cable.
Normalmente las bandas de energías se componen de: 1) una banda de valencia. 2) una banda de conducción y, 3) otra banda interpuesta entre las dos anteriores denominada “banda prohibida”. La función de esta última es impedir o dificultar que los electrones salten desde la banda de valencia hasta la banda de conducción. En el caso de los metales la banda prohibida no existe, por lo que los electrones en ese caso necesitan poca energía para saltar de una banda a la otra.
Debido a que en los metales conductores de corriente eléctrica la banda de valencia o última órbita del átomo pose entre uno y tres electrones solamente (de acuerdo con el tipo de metal de que se trate), existe una gran cantidad de estados energéticos “vacíos” que permiten excitar los electrones, bien sea por medio de una reacción química, o una reacción física como la aplicación de calor o la aplicación de una diferencia de potencial (corriente eléctrica) que ponga en movimiento el flujo electrónico.
En general los metales mejores conductores de electricidad como el cobre, la plata y el oro poseen una alta densidad de electrones portadores de carga en la banda de valencia, así como una alta ocupación de niveles de energía en la banda de conducción. Hay que destacar que, aunque la plata y el oro son mucho mejores conductores de la corriente eléctrica que el cobre, la mayoría de los cables se fabrican con este último metal o con aluminio en menor proporción, por ser ambos metales buenos conductores de la corriente eléctrica, pero mucho más baratos de producir y comercializar que la plata y el oro.
MATERIALES AISLANTES O DIELÉCTRICOS
A diferencia de los cuerpos metálicos buenos conductores de la corriente eléctrica, existen otros como el aire, la porcelana, el cristal, la mica, la ebonita, las resinas sintéticas, los plásticos, etc., que ofrecen una alta resistencia a su paso. Esos materiales se conocen como aislantes o dieléctricos.
Los cuerpos aislantes ofrecen una alta resistencia al paso de la corriente eléctrica. En la foto izquierda se pueden observar diferentes materiales aislantes de plástico utilizados comúnmente en las cajas de conexión y en otros elementos propios de las instalaciones eléctricas domésticas de baja tensión, así como el PVC (PolyVinyl Chloride – Policloruro de Vinilo) empleado como revestimiento en los cables conductores. En la foto de la derecha aparece, señalado con una flecha roja, un aislante de vidrio utilizado en las torres externas de distribución eléctrica de alta tensión.
Al contrario de lo que ocurre con los átomos de los metales, que ceden sus electrones con facilidad y conducen bien la corriente eléctrica, los de los elementos aislantes poseen entre cinco y siete electrones fuertemente ligados a su última órbita, lo que les impide cederlos. Esa característica los convierte en malos conductores de la electricidad, o no la conducen en absoluto.
En los materiales aislantes, la banda de conducción se encuentra prácticamente vacía de portadores de cargas eléctricas o electrones, mientras que la banda de valencia está completamente llena de estos.
Como ya conocemos, en medio de esas dos bandas se encuentra la “banda prohibida”, cuya misión es impedir que los electrones de valencia, situados en la última órbita del átomo, se exciten y salten a la banda de conducción.
La energía propia de los electrones de valencia equivale a unos 0,03 eV (electronvolt) aproximadamente, cifra muy por debajo de los 6 a 10 eV de energía de salto de banda (Eg) que requerirían poseer los electrones para atravesar el ancho de la banda prohibida en los materiales aislantes.
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.
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 elementos semiconductores
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.
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.
MECANISMO DE CONDUCCIÓN DE UN SEMICONDUCTOR
Cuando a un elemento semiconductor le aplicamos una diferencia de potencial o corriente eléctrica, se producen dos flujos contrapuestos: uno producido por el movimiento de electrones libres que saltan a la “banda de conducción” y otro por el movimiento de los huecos que quedan en la “banda de valencia” cuando los electrones saltan a la banda de conducción.
Si analizamos el movimiento que se produce dentro de la estructura cristalina del elemento semiconductor, notaremos que mientras los electrones se mueven en una dirección, los huecos o agujeros se mueven en sentido inverso. Por tanto, el mecanismo de conducción de un elemento semiconductor consiste en mover cargas negativas (electrones) en un sentido y cargas positivas (huecos o agujeros) en sentido opuesto.
Ese mecanismo de movimiento se denomina «conducción propia del semiconductor», que para las cargas negativas (o de electrones) será «conducción N», mientras que para las cargas positivas (de huecos o agujeros), será «conducción P».
Tipos de semiconductores según su pureza
Semiconductores intrínsecos:
Cuando un material es semiconductor intrínseco es capaz de transmitir electricidad en estado puro, es decir, sin impurezas ni átomos de otro tipo en su estructura.
Semiconductores extrínsecos:
Se diferencian del semiconductor intrínseco porque contienen un pequeño porcentaje de impurezas (elemento trivalente o pentavalentes). A la estructura molecular cristalina del silicio o del germanio se le puede introducir cierta alteración para que permitan el paso de la corriente eléctrica en una sola dirección. El proceso de aplicación de impurezas se denomina “dopado”.
Semiconductor tipo N:
Se añade material dopante para aumentar la cantidad de electrones libres, permitiendo la conducción de la carga eléctrica. Sin embargo, el semiconductor tipo N no es tan buen conductor como un cuerpo metálico conductor.
Semiconductor tipo P:
En lugar de agregarse material dopante que aumente la cantidad de electrones, se agrega al material átomos o impurezas trivalentes que, al unirse a los átomos del semiconductor, crean huecos (la falta de un electrón). Así, el material se vuelve conductor con carga positiva.
Para que un semiconductor tenga mayor conductividad, además de administrar el dopaje se le puede elevar la temperatura.
