Semiconductores: Una Mirada a los Materiales del Futuro
Los semiconductores, elementos esenciales en la electrónica moderna, se sitúan en un punto medio en la escala de conductividad eléctrica, entre los metales y los aislantes. Estos materiales únicos deben su nombre a esta característica, siendo capaces de controlar su conductividad bajo diversas condiciones como la estructura química, la temperatura, la iluminación y la presencia de dopantes. El estudio de los semiconductores es vital en física del estado sólido, especialmente en lo que respecta a la brecha de energía o gap energético.
La Brecha Energética en los Semiconductores
En física del estado sólido, la brecha energética es un rango de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción donde no se permiten estados de electrones. Para los semiconductores, esta brecha es menor a 4eV (aproximadamente 1eV). La conductividad de los semiconductores es afectada por esta brecha, ya que los electrones necesitan energía, por ejemplo, de la radiación ionizante, para atravesarla y alcanzar la banda de conducción.
Tipos de Semiconductores
Los semiconductores se clasifican en dos tipos principales según sus propiedades electrónicas:
- Semiconductores Intrínsecos: Estos son semiconductores puros, compuestos por un único elemento como el Silicio o el Germanio, sin dopaje intencional con impurezas. La conductividad en estos semiconductores se da cuando se calientan y algunos electrones adquieren suficiente energía para liberarse de sus enlaces y convertirse en electrones libres en la banda de conducción.
- Semiconductores Extrínsecos: Son semiconductores impurificados intencionalmente con dopantes para modificar sus propiedades electrónicas. Se dividen en:
- Semiconductores tipo p: Se introducen átomos de impureza como el boro, creando «huecos» en la banda de valencia que actúan como portadores de carga positiva.
- Semiconductores tipo n: Se dopan con átomos como el fósforo, añadiendo electrones en la banda de conducción que actúan como portadores de carga negativa.
Propiedades Clave de Algunos Semiconductores
A continuación, se presenta una tabla con propiedades de tres semiconductores intrínsecos y dos tipos p y n:
| Semiconductor | Tipo | Gap de Banda (eV) | Movilidad de Electrones (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 |
Los Semiconductores Tipo n
Un semiconductor extrínseco dopado con átomos donantes de electrones se denomina semiconductor tipo n, ya que la mayoría de los portadores de carga en el cristal son electrones negativos. El silicio, un elemento tetravalente, normalmente forma 4 enlaces covalentes con sus cuatro electrones de valencia. Los dopantes más comunes en el silicio son elementos del grupo III y V. Los elementos del grupo V (pentavalentes) tienen cinco electrones de valencia, lo que les permite actuar como donantes. Por ejemplo, un cristal de silicio dopado con fósforo (grupo V) resulta en un semiconductor tipo n, donde los electrones de conducción dominan en número a los electrones donantes.
Así, en los semiconductores tipo n, los electrones son los portadores mayoritarios, mientras que los huecos son los portadores minoritarios. Esta desigualdad en la concentración de portadores se expresa en el número absoluto diferente de electrones y huecos.
