Semiconductores: Un Mundo entre Conductores e Insuladores
Los semiconductores representan una clase fascinante de materiales con propiedades únicas de conducción eléctrica. Estos materiales, que pueden ser inorgánicos u orgánicos, presentan una conductividad eléctrica que se sitúa entre los conductores, como el cobre y el oro, y los aislantes, como el vidrio. Esta característica especial se debe a su estructura química, la temperatura, la iluminación y la presencia de dopantes.
Tipos de Semiconductores: Intrínsecos y Extrínsecos
Los semiconductores se clasifican en dos tipos básicos según sus propiedades electrónicas: los intrínsecos y los extrínsecos (dopados). Los semiconductores intrínsecos son materiales puros, como el silicio (Si) y el germanio (Ge), que tienen una banda de energía o brecha de banda donde los estados de electrones están prohibidos. Esta brecha de banda es menor a 4eV, alrededor de 1eV. En cambio, los semiconductores extrínsecos son aquellos que han sido dopados intencionalmente para modificar sus propiedades eléctricas. Se dividen en dos categorías: semiconductores tipo p y tipo n.
Aplicaciones de los Semiconductores
Los semiconductores se utilizan en una amplia gama de aplicaciones electrónicas. Algunas de sus aplicaciones clave incluyen:
Dispositivos electrónicos: Se usan para crear dispositivos como transistores, diodos y circuitos integrados, presentes en smartphones, computadoras, automóviles y aviones.
Células solares: El silicio es común en la producción de células solares que convierten la luz en electricidad.
Iluminación: Los diodos emisores de luz (LED) son semiconductores que producen luz al aplicarles corriente eléctrica.
Electrónica de potencia: Se aplican en inversores, convertidores de potencia y reguladores de voltaje para vehículos eléctricos, sistemas de energía renovable y maquinaria industrial.
Sensores: Crean sensores que detectan y miden propiedades físicas, usados en sistemas automotrices, aeroespaciales, dispositivos médicos y monitoreo ambiental.
Características de los Semiconductores
Los semiconductores presentan características particulares, como:
Conductividad variable: Su conductividad puede ser manipulada según las condiciones externas.
Banda de energía: La brecha de banda determina la energía necesaria para que se conviertan en conductores.
Dopaje: Modifica sus propiedades eléctricas al introducir impurezas.
Dependencia de la temperatura: Su conductividad eléctrica aumenta con la temperatura.
Sensibilidad a la luz: Algunos responden a la luz, útil en celdas fotovoltaicas y sensores de luz.
Portadores de carga minoritarios: En semiconductores, los electrones y los huecos son conocidos como portadores minoritarios.
Propiedades de Semiconductores Comunes
Aquí se presenta una tabla con tres semiconductores intrínsecos y dos extrínsecos (tipo p y tipo n), junto con cuatro propiedades clave:
| Semiconductor | Tipo | Banda de Energía (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 |
Teoría de los Semiconductores
La teoría de los semiconductores se basa en el comportamiento de los electrones y los huecos en una estructura de cristal. Esta teoría, conocida como la estructura de bandas electrónicas, describe los niveles de energía que los electrones pueden tener dentro de un sólido, así como las gamas de energía que no pueden tener (llamadas bandas prohibidas o brechas de banda). Los semiconductores tienen una banda de valencia, que es la banda de energía más alta completamente llena de electrones, y una banda de conducción, que es la banda de energía siguiente más alta que está vacía o solo parcialmente llena de electrones. La brecha de energía entre las bandas de valencia y de conducción se llama brecha de banda. A temperatura ambiente o superior, algunos electrones en la banda de valencia pueden ser excitados por energía térmica o por una fuente de energía externa, como la luz o un campo eléctrico, y saltar a la banda de conducción, dejando atrás un hueco en la banda de valencia. El movimiento de estos electrones libres y huecos en la estructura de cristal del semiconductor puede describirse por las leyes de la mecánica cuántica. La conductividad de los semiconductores intrínsecos está determinada por la concentración intrínseca de electrones libres y huecos, que aumenta exponencialmente con la temperatura. Los semiconductores extrínsecos, dopados con impurezas, tienen una concentración mucho mayor de electrones libres o huecos, lo que aumenta dramáticamente su conductividad y los hace útiles para dispositivos electrónicos.
