En este post se explica qué es un material semiconductor y para qué sirve. Así pues, encontrarás las propiedades de los materiales semiconductores, ejemplos de las aplicaciones de los materiales semiconductores y cuáles son los diferentes tipos de materiales semiconductores.
Índice
¿Qué son los materiales semiconductores?
Los materiales semiconductores son aquellos materiales que se comportan como conductores o aislantes eléctricos según las condiciones. Es decir, los materiales semiconductores permiten o impiden el paso de la electricidad dependiendo de varios factores, como la temperatura, la presión o la radiación.
Por ejemplo, el silicio, el germanio, el azufre o el arseniuro de galio son materiales semiconductores. En concreto, el material semiconductor más utilizado en la industria electrónica es el silicio.
La aplicación principal de los semiconductores se encuentra en la fabricación de dispositivos electrónicos, por ejemplo, los transistores, los microchips y los diodos se construyen mediante semiconductores. Por lo tanto, los semiconductores son fundamentales para fabricar ordenadores, móviles, lámparas, etc.
Para comprender mejor cómo funcionan los semiconductores, debes comprender cómo se organizan los electrones en los átomos. Los electrones se organizan en capas dentro de un átomo, la capa más externa del átomo se conoce como capa de valencia.
Los electrones de esta capa de valencia son los que forman enlaces con los átomos vecinos, estos enlaces se denominan enlaces covalentes. La mayoría de los conductores tienen un solo electrón en la capa de valencia. Sin embargo, los semiconductores suelen tener cuatro electrones en su capa de valencia.
Si los átomos cercanos están hechos de la misma valencia, los electrones pueden unirse con los electrones de valencia de otros átomos. Siempre que eso sucede, los átomos se organizan en estructuras cristalinas. Así pues, se fabrican la mayoría de los semiconductores con estos cristales, principalmente con cristales de silicio.
Características de los materiales semiconductores
Las características de los materiales semiconductores son las siguientes:
- En general, los materiales semiconductores son malos conductores de electricidad en su estado natural, el valor de la conductividad de un semiconductor está entre las conductividades de los conductores y de los aislantes.
- No obstante, el valor de su resistividad, y por tanto el de su conductividad, varía en función de varios factores. Por ejemplo, la resistividad de la mayoría de semiconductores disminuye a medida que aumenta la temperatura (al contrario que los metales).
- Los semiconductores generalmente tienen una estructura cristalina ordenada, donde los átomos están dispuestos en patrones regulares. Esta organización contribuye a sus propiedades eléctricas.
- Los materiales semiconductores tienen una banda de energía prohibida (gap) entre su banda de valencia y la banda de conducción. Este gap determina la cantidad de energía requerida para que los electrones salten de la banda de valencia a la de conducción y, por lo tanto, influye en sus propiedades eléctricas.
- El dopaje es una técnica que permite que los materiales semiconductores se comporten como materiales conductores. El dopaje de semiconductores consiste en introducir pequeñas cantidades de impurezas o átomos adicionales en la estructura cristalina de un semiconductor para modificar sus propiedades eléctricas.
- Cuando se unen dos materiales semiconductores con dopaje de diferente tipo, se producen heteruouniones. Por ejemplo, una hereounión podría consistir en germanio dopado con p (escasez de electrones) y dopado con n (exceso de electrones). Esto da lugar a un intercambio de electrones y por tanto el material puede conducir electricidad.
Ejemplos de materiales semiconductores
A continuación se muestran varios ejemplos de materiales semiconductores junto con sus aplicaciones:
- Silicio (Si): es uno de los semiconductores más usados en la industria electrónica. Se encuentra comúnmente en forma de cristales de silicio que se utilizan para fabricar chips y microchips.
- Germanio (Ge): es el segundo material semiconductor más utilizado, antes de que el uso del silicio se extendiera el germanio era el semiconductor más usado en la industria electrónica.
- Arseniuro de galio (GaAs): este semiconductor compuesto se utiliza en dispositivos como diodos emisores de luz (LEDs), transistores de alta frecuencia y dispositivos de comunicación por fibra óptica.
- Telururo de cadmio (CdTe): se usa en celdas solares de película delgada para convertir la luz solar en electricidad.
- Arseniuro de indio y galio (InGaAs): este semiconductor se utiliza en dispositivos electrónicos de alta velocidad, como los utilizados en comunicaciones por fibra óptica y en detectores de imágenes en cámaras infrarrojas.
- Óxido de silicio (SiO2): el óxido de silicio se utiliza comúnmente como material aislante en dispositivos electrónicos integrados, pero también se puede dopar para convertirse en un semiconductor.
Tipos de materiales semiconductores
Los tipos de materiales semiconductores son:
- Semiconductores intrínsecos: son materiales semiconductores puros que no han sido dopados con impurezas. En su estado natural, estos materiales no resultan muy útiles porque no son ni buenos conductores ni buenos aislantes.
- Semiconductores extrínsecos: son materiales semiconductores a los que se ha añadido impurezas para aumentar su conductividad, este proceso se llama dopaje. Este proceso altera la concentración y tipo de portadores de carga (electrones o huecos) en el material, por lo que se distinguen dos subtipos de semiconductores:
- Semiconductores extrínsecos de tipo N: son los materiales semiconductores dopados con impurezas donantes, como fósforo o arsénico, que tienen más electrones en su capa de valencia que el semiconductor principal. Estos átomos adicionales proporcionan electrones libres adicionales, aumentando la concentración de portadores de carga negativa. Como resultado, el semiconductor se vuelve más conductivo.
- Semiconductores extrínsecos de tipo P: son los materiales semiconductores dopados con impurezas aceptantes, como boro o aluminio, que tienen menos electrones en su capa de valencia que el semiconductor anfitrión. Estos átomos aceptan electrones del semiconductor, generando huecos en la estructura cristalina y aumentando la concentración de portadores de carga positiva. Esto también aumenta la conductividad, pero a través de huecos.
Semiconductores, conductores y aislantes
Para terminar, veremos cuál es la diferencia entre los materiales semiconductores, conductores y aislantes.
Los materiales conductores de electricidad, o simplemente materiales conductores, son aquellos que ofrecen una resistencia al paso de la electricidad muy baja. Por ejemplo, el cobre, el oro, el hierro y el aluminio son materiales conductores de electricidad.
Los materiales aislantes de electricidad, también llamados aislantes eléctricos, son aquellos que ejercen una resistencia al paso de la electricidad muy alta, de manera que prácticamente no dejan circular la corriente eléctrica a través de ellos. Por ejemplo, la madera, la goma o el plástico son aislantes eléctricos.
Por lo tanto, la principal diferencia ente los semiconductores, los conductores y los aislantes es el valor de su conductividad. Los materiales conductores tienen una conductividad muy alta, los materiales aislantes tienen una conductividad muy baja y los materiales semiconductores tienen una conductividad intermedia.
No obstante, se puede mejorar la conductividad de los materiales semiconductores mediante diferentes técnicas como el proceso de dopaje o aumentando la temperatura.
