Semiconductores Intrínsecos: La Pureza en la Conducción Eléctrica
Los semiconductores, materiales inorgánicos u orgánicos con propiedades únicas para controlar la conducción eléctrica, juegan un papel crucial en la tecnología moderna. Estos materiales presentan una conductividad eléctrica intermedia entre un metal y un aislante como el vidrio. La clave de su funcionalidad reside en su estructura química, temperatura, iluminación y la presencia de dopantes.
La Brecha Energética: Corazón de los Semiconductores
En la física del estado sólido, la brecha energética o banda prohibida es un rango de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción donde no se permiten estados electrónicos. Esta brecha, menor a 4eV (aproximadamente 1eV), es fundamental para entender su comportamiento. A diferencia de los conductores, los electrones en los semiconductores necesitan energía, por ejemplo, de la radiación ionizante, para cruzar esta brecha y alcanzar la banda de conducción.
Tipos de Semiconductores: Intrinsicidad y Doping
Los semiconductores se clasifican en intrínsecos y extrínsecos. Los semiconductores intrínsecos son puros, compuestos por un solo elemento y sin dopaje intencional. Por ejemplo, un cm3 de germanio puro a 20 °C contiene alrededor de 4.2×1022 átomos, pero también cerca de 2.5 x 1013 electrones libres y 2.5 x 1013 huecos, generados por excitación térmica.
Por otro lado, los semiconductores extrínsecos se dopan intencionalmente para modificar sus propiedades electrónicas. En los semiconductores tipo p, se introducen átomos impuros como el boro, que crean «huecos» en la banda de valencia. En cambio, los semiconductores tipo n, se dopan con átomos como el fósforo, añadiendo electrones excedentes en la banda de conducción.
Tabla Comparativa: Semiconductores Intrínsecos y Extrínsecos
| Semiconductor | Tipo | Brecha de Banda (eV) | Movilidad Electrónica (cm²/Vs) | Movilidad de Huecos (cm²/Vs) | Conductividad Térmica (W/mK) |
|---|---|---|---|---|---|
| Silicio (Si) | Intrínseco | 1.12 | 1500 | 450 | 150 |
| Germanio (Ge) | Intrínseco | 0.67 | 3900 | 1900 | 60 |
| Arseniuro de Galio (GaAs) | Intrínseco | 1.43 | 8500 | 400 | 46 |
| Silicio dopado con Boro (p-Si) | p-tipo | 1.12 | 1500 | 1800 | 150 |
| Silicio dopado con Fósforo (n-Si) | n-tipo | 1.12 | 1500 | 4500 | 150 |
| GaAs dopado con Aluminio (p-GaAs) | p-tipo | 1.43 | 8500 | 200 | 46 |
| GaAs dopado con Silicio (n-GaAs) | n-tipo | 1.43 | 8500 | 800 | 46 |
Aplicaciones y Consideraciones Finales
Los semiconductores intrínsecos no son muy útiles por sí solos, ya que no son ni muy buenos conductores ni aislantes. Sin embargo, su conductividad se puede aumentar y controlar mediante el dopaje y la aplicación de campos eléctricos. Un ejemplo clave es el germanio, que por su baja brecha de banda, requiere enfriamiento para reducir la generación térmica de portadores de carga a un nivel aceptable.
En resumen, los semiconductores intrínsecos y extrínsecos forman la base de innumerables dispositivos electrónicos, desde microprocesadores hasta paneles solares, demostrando la importancia crítica de la física del estado sólido en el desarrollo tecnológico.
