Semiconductividad y Semiconductores: Un Vistazo al Corazón de la Electrónica Moderna
¿Qué es la Semiconductividad?
La semiconductividad es la capacidad de ciertos materiales para conducir electricidad bajo condiciones específicas. Esta propiedad sitúa a los semiconductores en un punto medio entre conductores (materiales que permiten el flujo fácil de corriente eléctrica) y aislantes (materiales que impiden este flujo).
Estructura de Bandas en Semiconductores
En los semiconductores, la banda de valencia (la banda más alta de electrones completamente llenos) se separa de la banda de conducción (la banda más baja de electrones parcialmente llenos) por un espacio conocido como banda prohibida o bandgap. Esto significa que se requiere una cantidad específica de energía para mover un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción. La cantidad de energía necesaria está relacionada con el ancho de la banda prohibida.
Comportamiento a Temperatura Ambiente
A temperatura ambiente, algunos electrones en la banda de valencia de los semiconductores pueden adquirir suficiente energía térmica para saltar la banda prohibida y moverse a la banda de conducción, creando electrones libres que pueden moverse a través del material. Sin embargo, el número de electrones libres es relativamente bajo en comparación con los conductores, lo que significa que los semiconductores tienen una conductividad eléctrica menor.
Dopaje en Semiconductores
La conductividad eléctrica de los semiconductores puede incrementarse mediante el dopaje, que implica la adición intencional de impurezas para alterar sus propiedades electrónicas. El dopaje puede crear exceso de electrones (dopaje tipo n) o huecos (dopaje tipo p) en el semiconductor, mejorando su conductividad y haciéndolo útil en diversas aplicaciones electrónicas.
Aplicaciones de los Semiconductores
Los semiconductores se utilizan ampliamente en dispositivos electrónicos como transistores, diodos, células solares y circuitos integrados. También tienen aplicaciones en optoelectrónica, computación cuántica y otras tecnologías avanzadas.
Características Clave de los Semiconductores
Conductividad Variable: Los semiconductores pueden conducir electricidad bajo ciertas condiciones, como la exposición a la luz o al calor, y actuar como aislantes bajo otras condiciones.
Bandgap: La banda prohibida es la energía requerida para mover un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción. El tamaño del bandgap determina la energía necesaria para que el semiconductor se convierta en conductor.
Dopaje: Los semiconductores pueden ser dopados con impurezas para modificar sus propiedades eléctricas.
Dependencia de la Temperatura: La conductividad eléctrica de los semiconductores depende en gran medida de la temperatura.
Sensibilidad a la Luz: Algunos semiconductores son sensibles a la luz y se utilizan en aplicaciones como células fotovoltaicas, sensores de luz y LEDs.
Portadores Minoritarios: En semiconductores, los electrones y huecos son conocidos como portadores minoritarios, y pueden ser manipulados para producir propiedades eléctricas deseadas.
Tipos de Semiconductores y sus Propiedades
Aquí presentamos una tabla con 3 semiconductores intrínsecos y 2 semiconductores tipo p y tipo n, junto con 4 propiedades clave:
Semiconductor Tipo Band Gap (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
Arsenuro 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
Arsenuro de Galio dopado con Aluminio (p-GaAs) p-tipo 1.43 8500 200 46
Arsenuro de Galio dopado con Silicio (n-GaAs) n-tipo 1.43 8500 800 46
Clasificación de los Semiconductores
Semiconductores Intrínsecos: Son semiconductores puros, sin dopaje intencional, y tienen un número específico de electrones en sus bandas de valencia y conducción.
Semiconductores Extrínsecos: Estos son semiconductores impuros, intencionalmente dopados para cambiar sus propiedades electrónicas.
Teoría de la Semiconductividad
La teoría de la semiconductividad 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, así como los rangos de energía que no pueden tener (bandas prohibidas). Los semiconductores tienen una banda de valencia y una banda de conducción, con una banda prohibida entre ellas. La conductividad de los semiconductores intrínsecos es determinada por la concentración intrínseca de electrones libres y huecos, que aumenta exponencialmente con la temperatura. Los semiconductores extrínsecos, dopados con impurezas, tienen una mayor concentración de electrones libres o huecos, lo que aumenta significativamente su conductividad.
Conclusión
Los semiconductores, con su capacidad única para controlar la conductividad eléctrica, son fundamentales en el avance de la tecnología moderna, desde la electrónica de consumo hasta las aplicaciones de vanguardia en computación y optoelectrónica. Su comprensión y manipulación continúan impulsando innovaciones en diversos campos de la ciencia y la ingeniería.
