Ejemplo de Materiales Semiconductores

De acuerdo con su capacidad de conducir la corriente eléctrica, los materiales se dividen en tres categorías: Conductores, Aislantes y Semiconductores. El ejemplo más destacado de los conductores son los metales, como el cobre Cu, el aluminio Al y la plata Ag; y de los aislantes los polímeros y el vidrio. A continuación se tratará la tercera clase: los semiconductores.

Las propiedades eléctricas de los semiconductores se encuentran entre las correspondientes a los aislantes y los conductores. El Silicio Si y el Germanio Ge son ejemplos bien conocidos de semiconductores que se utilizan con frecuencia en la fabricación de una variedad de dispositivos electrónicos. Las propiedades eléctricas de los semiconductores pueden ser cambiadas en varios órdenes de magnitud, agregando cantidades controladas de átomos extraños a los materiales.

Los semiconductores se comportan como aislantes a bajas temperaturas, pero si ésta se incrementa, se comportan como conductores. Esta dualidad de la conductividad se debe a que los electrones de valencia del material están ligeramente ligados a sus respectivos núcleos atómicos, pero no lo suficiente, por lo que la elevación de la temperatura les permitirá abandonar el átomo para circular por la red atómica del material. En cuanto un electrón abandona un átomo, en su lugar deja un hueco que puede ser ocupado por otro electrón que estaba circulando por la red.

Es el caso de los elementos químicos previamente mencionados, el Silicio Si y el Germanio Ge, los cuales poseen cuatro electrones de valencia en su último nivel. Cabe destacar que, para añadir energía al material semiconductor, además de una transferencia de calor, se puede aplicar luz.

Para comprender mejor el comportamiento de los materiales semiconductores, se recurrirá a la Teoría de Bandas.

Teoría de Bandas

 Hay que definir el concepto de Banda de Valencia, que es la energía acumulada que poseen los electrones de valencia.

Además, se maneja en esta teoría la definición de Banda de Conducción, como la energía en conjunto que poseen los electrones para retirarse de sus átomos. Los electrones que se encuentren en la banda de Conducción pueden circular por el material si existe una tensión eléctrica que los impulse entre dos puntos.

Con base en las dos Bandas, se estudiarán los casos de Conductor, Aislante y Semiconductor, para tener una perspectiva para los últimos.

Para un Conductor, la Energía de la Banda de Valencia es mayor que la de los electrones de la Banda de Conducción. De tal modo que las bandas se superponen y muchos electrones de Valencia se colocan sobre la de Conducción muy fácilmente, y por consiguiente, con opción de circular por el medio.

Para un Aislante, por otro lado, la Energía de la Banda de Conducción es mucho mayor que la Energía de la Banda de Valencia. Aquí existe una brecha entre la Banda de Valencia y la de Conducción, de modo que los electrones de Valencia no pueden acceder a la Banda de Conducción que estará vacía. Es por ello que el aislante no conduce. Sólo a temperaturas altas, estos materiales pueden ser conductores.

En el caso de los Semiconductores, la Banda de Conducción sigue siendo mayor que la Banda de Valencia, pero la brecha entre ambas es considerablemente más pequeña, de modo que con un aumento energético, los electrones de Valencia saltan a la Banda de Conducción y pueden circular por el medio. Cuando un electrón salta desde la Banda de Valencia a la de Conducción, deja un huevo en la Banda de Valencia que también se considera portador de corriente eléctrica.

En los semiconductores, se distinguen dos tipos de portadores de corriente eléctrica: Los electrones cargados negativamente, y los huecos, con carga positiva. 

Tipos de Semiconductores 

Hay dos clases de Semiconductores de acuerdo con su pureza. A los Materiales Semiconductores en estado puro se les conoce como Semiconductores Intrínsecos; y existen los Semiconductores Extrínsecos, que son los puros pero contaminados con impurezas en proporciones ínfimas, como una partícula en cada millón.

Este proceso de contaminación recibe el nombre de Dopaje, que a su vez se manifiesta en dos tipos.

El primer tipo de Dopaje es el Tipo N, en el que se contamina el material con átomos de valencia 5, como el Fósforo P, el Arsénico As, o Antimonio Sb. Al involucrarse el quinto electrón de valencia en la estructura de átomos tetravalentes, se ve forzado a vagar por el material semiconductor, sin encontrar un sitio estable donde colocarse. Al conjunto de estos electrones errantes se le llama Electrones Mayoritarios.

El segundo tipo de Dopaje es el Tipo P, en el que se contamina el material semiconductor con átomos de valencia 3, como el Boro B, el Galio Ga, o Indio In. Si se introduce este átomo en el material, queda un hueco donde debería ir un electrón. El hueco se mueve fácilmente por la estructura del material, como si fuera un portador de carga positiva. En este caso, los huecos son Portadores Mayoritarios.

Aplicación de los semiconductores: Diodo

El diodo es un componente electrónico que consiste en la unión de dos cristales semiconductores extrínsecos, uno de tipo N y otro tipo P. Al unirlos, parte del exceso de electrones tipo N pasan al cristal tipo P, y parte de los huecos del tipo P pasan al cristal tipo N. Se creaen la unión una franja llamada Zona de Transición, que tiene un campo eléctrico que se comporta como una barrera que se opone al paso de más electrones desde la Zona N hacia la Zona P y de huecos de la Zona P a la Zona N.

Cuando un Diodo se conecta a una pila, ocurren dos casos diferentes: Polarización Directa y Polarización Inversa.

En la Polarización Directa se conecta el polo positivo al cristal P y el polo negativo al cristal N. Esto hace que la zona de transición se haga mucho más estrecha, rompiéndose la barrera y permitiendo el paso libre de la corriente. En esta condición, el Diodo es Conductor.

En la Polarización Inversa, el polo positivo se conecta al cristal N y el polo negativo al cristal P. Esto hace que la zona de transición se haga mucho más ancha, reforzando la barrera que impide el paso de la corriente. En este caso, el Diodo es Aislante.

Las aplicaciones del Diodo son múltiples. Sin embargo, la aplicación más popular es la que lo emplea como Rectificador. Un Rectificador es un sistema capaz de convertir una señal de entrada alterna senoidal en otra que tenga el mismo sentido, para posteriormente convertir corriente alterna en continua. Antes de rectificar la corriente, se emplea un transformador que reduce el valor de la tensión.

Ejemplos de Materiales Semiconductores

Por el grupo en que están presentes en la Tabla Periódica, estos son algunos ejemplos de elementos semiconductores:

Grupo IIIA: Boro B, Aluminio Al, Galio Ga, Indio In.

Grupo IVA: Silicio Si, Germanio Ge.

Grupo VA: Fósforo P, Arsénico As, Antimonio Sb.

Grupo VIA: Azufre S, Selenio Se, Telurio Te.