¿Cómo Funcionan los Semiconductores?
Los semiconductores, materiales inorgánicos u orgánicos, desempeñan un papel crucial en la tecnología moderna. Su habilidad para controlar la conductividad eléctrica bajo diferentes condiciones los hace esenciales en diversos dispositivos electrónicos. El término «semiconductor» proviene de su conductividad eléctrica, que se sitúa entre la de un metal y un aislante.
La Física de los Semiconductores
En física del estado sólido, los semiconductores se caracterizan por tener un gap energético de menos de 4eV, aproximadamente 1eV. Este gap, o banda prohibida, es el rango de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción donde los estados de los electrones están prohibidos. A diferencia de los conductores, los electrones en los semiconductores necesitan energía, como la radiación ionizante, para cruzar la banda prohibida y llegar a la banda de conducción.
Conductividad Eléctrica en Semiconductores
Hay varias formas en que un electrón en un semiconductor puede ser excitado a la banda de conducción:
- Energía Térmica: A temperaturas más altas, algunos electrones pueden obtener suficiente energía térmica para pasar a la banda de conducción, un proceso conocido como excitación térmica.
- Radiación Electromagnética: La absorción de fotones con energía igual o superior al gap energético del semiconductor puede excitar electrones a la banda de conducción, creando pares electrón-hueco.
- Dopaje: La introducción de impurezas puede crear electrones o huecos excesivos, contribuyendo a la conductividad eléctrica.
- Campo Eléctrico: Un campo eléctrico externo puede excitar electrones a la banda de conducción al aplicar un voltaje a través del material semiconductor.
Unión p-n y su Importancia
La unión p-n se forma al unir regiones semiconductoras dopadas de manera diferente. Esta unión es clave en la electrónica moderna, especialmente en diodos, permitiendo el flujo de electricidad en una dirección pero no en la opuesta.
- Polarización Directa: Cuando se aplica un voltaje en dirección directa a la unión p-n, la región de agotamiento se estrecha, permitiendo el flujo de corriente.
- Polarización Inversa: Al invertir la dirección del voltaje, la región de agotamiento se ensancha, impidiendo el flujo de corriente. Sin embargo, un voltaje inverso suficientemente alto puede provocar un colapso de la región de agotamiento y permitir un gran flujo de corriente.
Transistor de Unión Bipolar (BJT)
El BJT, un dispositivo electrónico de tres terminales, puede amplificar o conmutar señales electrónicas. Compuesto por capas de material semiconductor tipo n y p, su funcionamiento se basa en controlar el flujo de portadores de carga desde el emisor al colector mediante una pequeña corriente en la base.
Materiales para Semiconductores
Los semiconductores pueden ser intrínsecos, como el silicio y el germanio, o extrínsecos, dopados con impurezas para alterar sus propiedades electrónicas. Estos materiales son fundamentales en la fabricación de dispositivos electrónicos.
Tipos de Semiconductores
Los semiconductores se clasifican en intrínsecos y extrínsecos:
- Semiconductores Intrínsecos: Están compuestos por un solo elemento y no tienen impurezas intencionales.
- Semiconductores Extrínsecos: Se dopan intencionalmente con impurezas para cambiar sus propiedades. Se dividen en semiconductores tipo p y tipo n.
Teoría de Semiconductores
La teoría de semiconductores se basa en el comportamiento de electrones y huecos en una estructura de cristal. La estructura de bandas electrónicas describe los niveles de energía que los electrones pueden tener y los que están prohibidos. A temperatura ambiente, algunos electrones pueden ser excitados del estado de valencia al estado de conducción, dejando huecos en la banda de valencia. El movimiento de estos electrones libres y huecos es fundamental para entender la conductividad eléctrica de los semiconductores.
