Semiconductor

Un semiconductor (abreviadamente, SC) es un elemento que se comporta o bien como un conductor o bien como un aislante dependiendo de diversos factores, por ejemplo: el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre.^[1]​ Los elementos químicos semiconductores de la tabla periódica se indican en la tabla adjunta.

Silicio purificado

Elemento	Grupos	Electrones en la última capa
Cd	12	2 e^-
Al, Ga, B, In	13	3 e^-
Si, C, Ge	14	4 e^-
P, As, Sb	15	5 e^-
Se, Te, (S)	16	6 e^-

El elemento semiconductor más usado es el Silicio,^[2]​ seguido del Germanio, aunque presentan un idéntico comportamiento las combinaciones de elementos de los grupos 12 y 13 con los de los grupos 16 y 15 respectivamente (Ga As, P In, As Ga Al, Te Cd, Se Cd y S Cd). Posteriormente se ha comenzado a emplear también el Azufre. La característica común a todos ellos es que son tetravalentes, teniendo el silicio una configuración electrónica s²p².

Los dispositivos semiconductores pueden presentar una serie de propiedades útiles, como pasar la corriente más fácilmente en una dirección que en otra, mostrar una resistencia variable y ser sensibles a la luz o al calor. Dado que las propiedades eléctricas de un material semiconductor pueden modificarse mediante el dopaje o la aplicación de campos eléctricos o luz, los dispositivos fabricados con semiconductores pueden utilizarse para la amplificación, la conmutación y la conversión de energía.

La conductividad del silicio se aumenta añadiendo una pequeña cantidad (del orden de 1 a 10⁸) de átomos pentavalentes (antimonio, fósforo o arsénico) o trivalentes (boro, galio, indio). Este proceso se conoce como dopaje y los semiconductores resultantes se conocen como semiconductores dopados o extrínsecos. Aparte del dopaje, la conductividad de un semiconductor puede mejorarse aumentando su temperatura. Esto es contrario al comportamiento de un metal en el que la conductividad disminuye con el aumento de la temperatura.

La comprensión moderna de las propiedades de un semiconductor se basa en la física cuántica para explicar el movimiento de los portadores de carga en una red cristalina.^[3]​ El dopaje aumenta en gran medida el número de portadores de carga dentro del cristal. Cuando un semiconductor dopado contiene huecos libres se denomina tipo p, y cuando contiene electrones libres se conoce como tipo n. Los materiales semiconductores utilizados en los dispositivos electrónicos se dopan en condiciones precisas para controlar la concentración y las regiones de los dopantes de tipo p y n. Un solo cristal de dispositivo semiconductor puede tener muchas regiones de tipo p y n; las uniones p-n entre estas regiones son las responsables del comportamiento electrónico útil. Utilizando una sonda de punto caliente, se puede determinar rápidamente si una muestra de semiconductor es de tipo p o n.^[4]​

Algunas de las propiedades de los materiales semiconductores se observaron a mediados del siglo XIX y en las primeras décadas del siglo XX. La primera aplicación práctica de los semiconductores en electrónica fue el desarrollo en 1904 del detector de bigotes de gato, un primitivo diodo semiconductor utilizado en los primeros receptores de radio. Los avances de la física cuántica condujeron a su vez a la invención del transistor en 1947,^[5]​ el circuito integrado en 1958 y el MOSFET (transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor) en 1959.

Información general

1. Los materiales semiconductores provienen de diferentes grupos de la tabla periódica, sin embargo, comparten ciertas similitudes.
2. Las propiedades del material semiconductor están relacionados con sus características atómicas, y cambian de un grupo a otro.
3. Los investigadores y los diseñadores se aprovechan de estas diferencias para mejorar el diseño y elegir el material óptimo para una aplicación PV.^[6]​

Propiedades

Conductividad eléctrica variable

Los semiconductores en su estado natural son malos conductores porque una corriente requiere el flujo de electrones, y los semiconductores tienen sus bandas de valencia llenas, impidiendo todo el flujo de nuevos electrones. Varias técnicas desarrolladas permiten que los materiales semiconductores se comporten como materiales conductores, como el dopaje o el gating. Estas modificaciones tienen dos resultados: tipo n y tipo p. Se refieren al exceso o a la escasez de electrones, respectivamente. Un número desequilibrado de electrones provocaría el paso de una corriente a través del material. [4]

Heterouniones

Las heterouniones se producen cuando se unen dos materiales semiconductores con dopaje diferente. Por ejemplo, una configuración podría consistir en germanio dopado con p y dopado con n. Esto da lugar a un intercambio de electrones y huecos entre los materiales semiconductores con diferentes dopajes. El germanio dopado con n tendría un exceso de electrones y el germanio dopado con p tendría un exceso de huecos. La transferencia se produce hasta que se alcanza un equilibrio mediante un proceso llamado recombinación, que hace que los electrones que migran del tipo n entren en contacto con los huecos que migran del tipo p. El resultado de este proceso es una estrecha franja de iones inmóviles, que provoca un campo eléctrico a través de la unión[1][4].

Electrones excitados

Una diferencia de potencial eléctrico en un material semiconductor hace que éste abandone el equilibrio térmico y cree una situación de no equilibrio. Esto introduce electrones y huecos en el sistema, que interactúan mediante un proceso llamado difusión ambipolar. Siempre que se altera el equilibrio térmico en un material semiconductor, cambia el número de huecos y electrones. Estas alteraciones pueden producirse como resultado de una diferencia de temperatura o de fotones, que pueden entrar en el sistema y crear electrones y huecos. El proceso de creación y aniquilación de electrones y huecos se denomina generación y recombinación, respectivamente[4].

Emisión de luz

En ciertos semiconductores, los electrones excitados pueden relajarse emitiendo luz en lugar de producir calor[5] Estos semiconductores se utilizan en la construcción de diodos emisores de luz y puntos cuánticos fluorescentes.

Alta conductividad térmica

Los semiconductores con alta conductividad térmica pueden utilizarse para disipar el calor y mejorar la gestión térmica de la electrónica[6].

Conversión de energía térmica

Los semiconductores tienen grandes factores de potencia termoeléctrica que los hacen útiles en los generadores termoeléctricos, así como altas figuras de mérito termoeléctricas que los hacen útiles en los refrigeradores termoeléctricos. [7]

Física de los semiconductores

Bandas de energía y conducción eléctrica

Artículos principales: Teoría de bandas, Conductividad eléctrica y Resistividad.

Los semiconductores se definen por su singular comportamiento de conducción eléctrica, a medio camino entre el de un conductor y el de un aislante.^[7]​ Las diferencias entre estos materiales pueden entenderse en términos de los estados cuánticos de los electrones, cada uno de los cuales puede contener cero o un electrón, por el principio de exclusión de Pauli. Estos estados están asociados a la estructura de banda electrónica del material. La conductividad eléctrica surge debido a la presencia de electrones en estados deslocalizados que se extienden por el material, sin embargo, para transportar electrones un estado debe estar parcialmente lleno, conteniendo un electrón sólo una parte del tiempo.^[8]​ Si el estado está siempre ocupado con un electrón, entonces es inerte, bloqueando el paso de otros electrones a través de ese estado. Las energías de estos estados cuánticos son críticas, ya que un estado está parcialmente ocupado sólo si su energía está cerca del nivel de Fermi.

La alta conductividad de un material se debe a que tiene muchos estados parcialmente llenos y mucha deslocalización de estados. Los metales son buenos conductores eléctricos y tienen muchos estados parcialmente llenos con energías cercanas a su nivel de Fermi. Los aislantes, por el contrario, tienen pocos estados parcialmente llenos, sus niveles de Fermi se sitúan dentro de huecos de banda con pocos estados de energía que ocupar. Es importante destacar que un aislante puede convertirse en conductor aumentando su temperatura: el calentamiento proporciona energía para promover algunos electrones a través dela banda prohibida, induciendo estados parcialmente llenos tanto en la banda de estados por debajo del banda prohibida (banda de valencia) como en la banda de estados por encima de la banda prohibida (banda de conducción). Un semiconductor (intrínseco) tiene una banda prohibida menor que el de un aislante y, a temperatura ambiente, un número significativo de electrones puede ser excitado para cruzar la banda prohibida.^[9]​

Sin embargo, un semiconductor puro no es muy útil, ya que no es ni un buen aislante ni un buen conductor. Sin embargo, una característica importante de los semiconductores (y de algunos aislantes, conocidos como semiinsuladores) es que su conductividad puede aumentarse y controlarse mediante el dopaje con impurezas y la activación de campos eléctricos. El dopaje y la activación mueven la banda de conducción o de valencia mucho más cerca del nivel de Fermi y aumentan en gran medida el número de estados parcialmente llenos.

Algunos materiales semiconductores de banda ancha se denominan a veces semiinsuladores. Cuando no están dopados, tienen una conductividad eléctrica más cercana a la de los aislantes eléctricos, pero pueden doparse, lo que los hace tan útiles como los semiconductores. Los semiinsuladores tienen aplicaciones especializadas en microelectrónica, como los sustratos para HEMT. Un ejemplo de semiinsulador común es el arseniuro de galio.^[10]​ Algunos materiales, como el dióxido de titanio, pueden incluso utilizarse como materiales aislantes para algunas aplicaciones, mientras se tratan como semiconductores de brecha ancha para otras.

Portadores de carga (electrones y huecos)

Artículo principal: Hueco de electrón

El llenado parcial de los estados en la parte inferior de la banda de conducción puede entenderse como la adición de electrones a dicha banda. Los electrones no permanecen indefinidamente debido a la recombinación térmica natural, pero pueden desplazarse durante algún tiempo. La concentración real de electrones suele ser muy diluida, por lo que, a diferencia de los metales, es posible pensar en los electrones de la banda de conducción de un semiconductor como una especie de gas ideal clásico, en el que los electrones vuelan libremente sin estar sujetos al principio de exclusión de Pauli. En la mayoría de los semiconductores, las bandas de conducción tienen una relación de dispersión parabólica, por lo que estos electrones responden a las fuerzas (campo eléctrico, campo magnético, etc.) de forma muy parecida a como lo harían en el vacío, aunque con una masa efectiva diferente.^[9]​ Dado que los electrones se comportan como un gas ideal, también se puede pensar en la conducción en términos muy simplistas, como el modelo de Drude, e introducir conceptos como la movilidad de los electrones.

Para el llenado parcial en la parte superior de la banda de valencia, es útil introducir el concepto de agujero electrónico. Aunque los electrones de la banda de valencia están siempre en movimiento, una banda de valencia completamente llena es inerte, no conduce ninguna corriente. Si se saca un electrón de la banda de valencia, la trayectoria que normalmente habría seguido el electrón pierde ahora su carga. Para los fines de la corriente eléctrica, esta combinación de la banda de valencia completa, menos el electrón, puede convertirse en una imagen de una banda completamente vacía que contiene una partícula cargada positivamente que se mueve de la misma manera que el electrón. Combinado con la masa efectiva negativa de los electrones en la parte superior de la banda de valencia, llegamos a una imagen de una partícula cargada positivamente que responde a los campos eléctricos y magnéticos igual que lo haría una partícula normal cargada positivamente en el vacío, de nuevo con alguna masa efectiva positiva.^[9]​ Esta partícula se llama agujero, y la colección de agujeros en la banda de valencia puede entenderse de nuevo en términos clásicos simples (como con los electrones en la banda de conducción).

Generación de portadores y recombinación

Cuando la radiación ionizante incide en un semiconductor, puede excitar un electrón fuera de su nivel de energía y, en consecuencia, dejar un hueco. Este proceso se conoce como generación de pares electrón-hueco. Los pares electrón-hueco también se generan constantemente a partir de la energía térmica, en ausencia de cualquier fuente de energía externa.

Los pares electrón-hueco también son aptos para recombinarse. La conservación de la energía exige que estos eventos de recombinación, en los que un electrón pierde una cantidad de energía mayor que la brecha de banda, vayan acompañados de la emisión de energía térmica o de radiación, en ambos casos en forma de fotones).

En algunos estados, la generación y recombinación de pares electrón-hueco están en equilibrio. El número de pares electrón-hueco en el estado estacionario a una temperatura dada está determinado por la mecánica estadística cuántica. Los mecanismos mecánicos cuánticos precisos de generación y recombinación se rigen por la conservación de la energía y la conservación del momento.

Dado que la probabilidad de que los electrones y los huecos se reúnan es proporcional al producto de sus números, el producto es en el estado estacionario casi constante a una temperatura determinada, siempre que no haya un campo eléctrico significativo, que podría "tirar" portadores de ambos tipos, o moverlos desde regiones vecinas que contengan más de ellos para que se reúnan, o una generación de pares impulsada externamente. El producto es una función de la temperatura, ya que la probabilidad de obtener suficiente energía térmica para producir un par aumenta con la temperatura, siendo aproximadamente exp(−E_G/kT), donde k es la constante de Boltzmann, T es la temperatura absoluta y E_G es la banda prohibida.

La probabilidad de encuentro se ve incrementada por las trampas de portadores, impurezas o dislocaciones que pueden atrapar un electrón o un agujero y retenerlo hasta que se complete el par. Estas trampas de portadores se añaden a veces a propósito para reducir el tiempo necesario para alcanzar el estado estacionario.^[11]​

Dopaje

Artículo principal: Dopaje (semiconductores)

La conductividad de los semiconductores puede modificarse fácilmente introduciendo impurezas en su red cristalina. El proceso de añadir impurezas controladas a un semiconductor se conoce como dopaje. La cantidad de impureza, o dopante, añadida a un intrínseco (puro) varía su nivel de conductividad.^[12]​ Los semiconductores dopados se denominan extrínseco.^[13]​ Añadiendo impurezas a los semiconductores puros, la conductividad eléctrica puede variar en factores de miles o millones.^[14]​

Una muestra de 1 cm³ de un metal o semiconductor tiene el orden de 10²² átomos.^[15]​ En un metal, cada átomo dona al menos un electrón libre para la conducción, por lo que 1 cm³ de metal contiene del orden de 10²² electrones libres,^[16]​ mientras que una muestra de 1 cm³ de germanio puro a 20 °C contiene unos 4,2<e<22 átomos, pero sólo para 2,5<e<13 electrones libres y 2,5<e<13 huecos. La adición de 0,001% de arsénico (una impureza) dona un extra de 10¹⁷ electrones libres en el mismo volumen y la conductividad eléctrica se incrementa en un factor de 10 000.^[17]​^[18]​

Los materiales elegidos como dopantes adecuados dependen de las propiedades atómicas tanto del dopante como del material a dopar. En general, los dopantes que producen los cambios controlados deseados se clasifican como aceptantes o donantes. Los semiconductores dopados con impurezas donantes se denominan tipo n, mientras que los dopados con impurezas aceptantes se conocen como tipo p. Las designaciones de tipo n y p indican qué portador de carga actúa como portador mayoritario del material. El portador opuesto se denomina portador minoritario, que existe debido a la excitación térmica en una concentración mucho menor en comparación con el portador mayoritario.^[19]​

Por ejemplo, el semiconductor puro silicio tiene cuatro electrones de valencia que enlazan cada átomo de silicio con sus vecinos.^[20]​ En el silicio, los dopantes más comunes son elementos del grupo III y del grupo V. Todos los elementos del grupo III contienen tres electrones de valencia, por lo que funcionan como aceptores cuando se utilizan para dopar el silicio. Cuando un átomo aceptor sustituye a un átomo de silicio en el cristal, se crea un estado vacante (un "agujero" de electrones), que puede moverse por la red y funcionar como portador de carga. Los elementos del grupo V tienen cinco electrones de valencia, lo que les permite actuar como donantes; la sustitución de estos átomos por silicio crea un electrón libre adicional. Por lo tanto, un cristal de silicio dopado con boro crea un semiconductor de tipo p, mientras que uno dopado con fósforo da lugar a un material de tipo n.^[21]​

Durante la fabricación, los dopantes pueden difundirse en el cuerpo del semiconductor por contacto con compuestos gaseosos del elemento deseado, o bien puede utilizarse la implantación de iones para posicionar con precisión las regiones dopadas.

Semiconductores amorfos

Algunos materiales, cuando se enfrían rápidamente a un estado amorfo vítreo, tienen propiedades semiconductoras. Entre ellos se encuentran el B, el Si, el Ge, el Se y el Te, y existen múltiples teorías para explicarlos.^[22]​^[23]​

Tipos de semiconductores

 

Semiconductor intrínseco

En 1727 Stephen Gray descubrió la diferencia entre conductores y aislantes. Después, el 1821, Georg Simon Ohm publica las leyes que llevan su nombre y que describen la proporcionalidad entre la corriente y el voltaje a un conductor y también es posible determinar la conductividad eléctrica de cualquier objeto.

Semiconductores intrínsecos

Son los cristales de silicio o germanio que forma una estructura, tetraédrica similar a la del carbono mediante enlaces covalentes entre sus átomos, en la figura representados en el plano por simplicidad.

Cuando el cristal se encuentra a temperatura ambiente algunos electrones pueden absorber la energía necesaria para saltar a la banda de conducción dejando el correspondiente hueco en la banda de valencia.^[24]​ Las energías requeridas, a temperatura ambiente, son de 1,12 eV y 0,67 eV para el silicio y el germanio respectivamente.

El proceso inverso también se produce, de modo que los electrones pueden caer desde el estado energético correspondiente en la banda de conducción a un hueco en la banda de valencia, liberando así energía. Este fenómeno se conoce como "recombinación". A una determinada temperatura, las velocidades de creación de pares electrón-hueco, y de recombinación se igualan, de modo que la concentración global de electrones y huecos permanece constante. Sea "n" la concentración de electrones (cargas negativas) y "p" la concentración de huecos (cargas positivas), se cumple entonces que:^[24]​

n_i = n = p

donde n_i es la concentración intrínseca del semiconductor, función exclusiva de la temperatura y del elemento en cuestión. Los electrones y los huecos reciben el nombre de portadores. La densidad o concentración intrínseca de portadores es muy baja. ^[24]​

Ejemplos de valores de n_i a temperatura ambiente (27 ºC):

n_i(Si) = 1.5 10¹⁰cm^-3

n_i(Ge) = 2.4 10¹³cm^-3

En los semiconductores, ambos tipos de portadores contribuyen al paso de la corriente eléctrica. Si se somete el cristal a una diferencia de potencial se producen dos corrientes eléctricas. Por un lado la debida al movimiento de los electrones libres de la banda de conducción, y por otro, la debida al desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que tenderán a saltar a los huecos próximos , originando una corriente de huecos con 4 capas ideales y en la dirección contraria al campo eléctrico cuya velocidad y magnitud es muy inferior a la de la banda de conducción.

Semiconductores extrínsecos

Si a un semiconductor intrínseco, como el anterior, se le añade un pequeño porcentaje de impurezas, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes, el semiconductor se denomina extrínseco, y se dice que está dopado. Las impurezas deberán formar parte de la estructura cristalina sustituyendo al correspondiente átomo de silicio.^[24]​

Semiconductor tipo N

 

Estructura de bandas de un semiconductor de tipo N. Los círculos negros representan los electrones en la banda de conducción (naranja), mientras que los blancos serían los huecos en la banda de valencia (azul). La imagen muestra que los electrones son los portadores de carga mayoritarios.

Un semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso negativos o electrones).^[25]​

Cuando se añade el material dopante, aporta sus electrones más débilmente vinculados a los átomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es también conocido como material donante, ya que da algunos de sus electrones.

El propósito del dopaje tipo n es el de producir abundancia de electrones portadores en el material. Para ayudar a entender cómo se produce el dopaje tipo n considérese el caso del silicio (Si). Los átomos del silicio tienen una valencia atómica de cuatro, por lo que se forma un enlace covalente con cada uno de los átomos de silicio adyacentes. Si un átomo con cinco electrones de valencia, tales como los del grupo 15 de la tabla periódica —p. ej., fósforo (P), arsénico (As) o antimonio (Sb)—, se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá cuatro enlaces covalentes y un electrón no enlazado. Este electrón extra da como resultado la formación de "electrones libres", el número de electrones en el material supera ampliamente el número de huecos, en ese caso los electrones son los portadores mayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios. A causa de que los átomos con cinco electrones de valencia tienen un electrón extra que "dar", son llamados átomos donadores. Nótese que cada electrón libre en el semiconductor nunca está lejos de un ion dopante positivo inmóvil, y el material dopado tipo N generalmente tiene una carga eléctrica neta final de cero.

Semiconductor tipo p

 

Estructura de bandas de un semiconductor de tipo P. Los círculos negros representan los electrones en la banda de conducción (naranja), mientras que los blancos serían los huecos en la banda de valencia (azul). La imagen muestra que los huecos son los portadores de carga mayoritarios.

Un semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso positivos o huecos).^[25]​

Cuando se añade el material dopante libera los electrones más débilmente vinculados de los átomos del semiconductor. Este agente dopante es también conocido como material aceptor y los átomos del semiconductor que han perdido un electrón son conocidos como huecos.

El propósito del dopaje tipo P es el de crear abundancia de huecos.^[26]​ En el caso del silicio, un átomo tetravalente (típicamente del grupo 14 de la tabla periódica) se le une un átomo con tres electrones de valencia, tales como los del grupo 13 de la tabla periódica (ej. Al, Ga, B, In), y se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá tres enlaces covalentes y un hueco producido que se encontrará en condición de aceptar un electrón libre.

Así los dopantes crean los "huecos". No obstante, cuando cada hueco se ha desplazado por la red, un protón del átomo situado en la posición del hueco se ve "expuesto" y en breve se ve equilibrado como una cierta carga positiva. Cuando un número suficiente de aceptores son añadidos, los huecos superan ampliamente la excitación térmica de los electrones. Así, los huecos son los portadores mayoritarios, mientras que los electrones son los portadores minoritarios en los materiales tipo P. Los diamantes azules (tipo IIb), que contienen impurezas de boro (B), son un ejemplo de un semiconductor tipo P que se produce de manera natural.

Referencias

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Véase también

• Circuito integrado
• Conductividad eléctrica
• Diodo
• Nanotecnología
• Silicio
• Transistor
• Unión PN
• Polímero semiconductor
• Anexo:Materiales semiconductores

Bibliografía

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• Yu, Peter Y.; Cardona, Manuel (2004). Fundamentals of Semiconductors : Physics and Materials Properties. Springer. ISBN 978-3-540-41323-3. 
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Enlaces externos

• "Aniquilación de Positrones en Semiconductores"
• "Algunos estudios de semiconductores con Espectroscopía". Positron Lab, Como, Italy

Semiconductores y electrónica

•   Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Semiconductor.
• * Física de semiconductores

•   Datos: Q11456
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