Semiconductores
Los semiconductores son materiales con conductividad intermedia entre conductores y aislantes, base de los transistores y los chips.
Los semiconductores son materiales cuya capacidad de conducir la electricidad se sitúa entre la de los conductores (metales) y la de los aislantes. Lo que los hace únicos es que su conductividad puede controlarse con precisión añadiendo impurezas, aplicando tensión, calor o luz. Esa propiedad es la base de diodos, transistores, circuitos integrados, células solares y LED, y por tanto de toda la electrónica moderna.
¿Qué es un semiconductor?
Un semiconductor es un material, normalmente un sólido cristalino, cuya resistividad a temperatura ambiente es mucho mayor que la de un metal y mucho menor que la de un aislante. Los semiconductores más usados son el silicio (Si) y el germanio (Ge) y compuestos como el arseniuro de galio (GaAs). El silicio es el segundo elemento más abundante de la corteza terrestre, alrededor de un 28 % en masa, aunque casi siempre combinado con oxígeno en forma de arena y cuarzo.
Teoría de bandas
En un sólido cristalino, los niveles de energía de los electrones se agrupan en bandas. La banda de valencia, más baja, está ocupada por electrones ligados a los átomos; la banda de conducción, más alta, permite el movimiento libre de los electrones. Entre ambas existe la banda prohibida (o gap), un intervalo de energías que los electrones no pueden tener.
- Conductores: las bandas se solapan o la de conducción está parcialmente llena; los electrones se mueven con facilidad.
- Aislantes: el gap es grande (varios eV) y casi ningún electrón puede saltar a la banda de conducción.
- Semiconductores: el gap es pequeño y la agitación térmica, la luz o el dopado permiten que algunos electrones salten.
| Material | Ancho del gap (300 K) |
|---|---|
| Germanio | 0,67 eV |
| Silicio | 1,12 eV |
| Arseniuro de galio | 1,42 eV |
| Diamante (aislante) | ≈ 5,5 eV |
Cuando un electrón pasa a la banda de conducción deja un hueco en la de valencia. El hueco se comporta como una carga positiva móvil: la corriente en un semiconductor es la suma del movimiento de electrones y de huecos.
Tipos de semiconductores
Intrínsecos
Son cristales puros, como el silicio sin impurezas. Los portadores proceden solo de la excitación térmica, por lo que el número de electrones y de huecos es el mismo y muy reducido (del orden de 10¹⁰ por cm³ en el silicio a 300 K, frente a unos 5 × 10²² átomos por cm³).
Extrínsecos: el dopado
El dopado consiste en introducir cantidades minúsculas de impurezas, del orden de una parte por millón o menos, para aumentar de forma enorme la conductividad.
- Tipo N: se añaden átomos con cinco electrones de valencia, como fósforo, arsénico o antimonio. Aportan electrones libres y los portadores mayoritarios son los electrones.
- Tipo P: se añaden átomos con tres electrones de valencia, como boro, galio o indio. Crean huecos y los portadores mayoritarios son los huecos.
Ambos tipos son eléctricamente neutros: lo que cambia es el tipo de portador que domina, no la carga total.
Propiedades principales
- La conductividad aumenta con la temperatura, al revés que en los metales, porque más electrones saltan al gap.
- Es muy sensible a las impurezas, la luz y los campos eléctricos.
- Pueden emitir y absorber luz según la energía del gap, lo que permite construir LED, láseres y células fotovoltaicas.
- Su resistencia no es constante: dispositivos como los diodos no siguen la ley de Ohm.
La unión P-N y el diodo
Al unir un semiconductor P con uno N se forma una unión P-N. Cerca de la frontera, electrones y huecos se recombinan y dejan una zona sin portadores con un campo eléctrico interno. Esa zona actúa como barrera. Si se conecta la unión en polarización directa (positivo al lado P), la barrera disminuye y la corriente fluye; en polarización inversa, la corriente es casi nula. Es el diodo, que deja pasar la corriente en un solo sentido y requiere unos 0,6 a 0,7 V para conducir si es de silicio. De uniones P-N se componen también los transistores, las células solares y los LED.
Historia
El fenómeno de la rectificación en semiconductores se observó en el siglo XIX, pero el gran salto llegó el 23 de diciembre de 1947, cuando John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley inventaron el transistor en los laboratorios Bell, lo que les valió el premio Nobel de Física de 1956. En 1958, Jack Kilby, y en 1959, Robert Noyce, desarrollaron el circuito integrado, que permitió colocar miles y después miles de millones de transistores en un solo chip de silicio.
Aplicaciones
- Microprocesadores y memorias: los chips actuales integran decenas de miles de millones de transistores.
- Energía solar: las células fotovoltaicas convierten la luz en corriente eléctrica mediante uniones P-N.
- Iluminación LED y láseres de diodo: emiten luz cuando electrones y huecos se recombinan.
- Sensores: cámaras digitales (CCD y CMOS), termistores y detectores de radiación.
- Electrónica de potencia: convertidores, cargadores y vehículos eléctricos.
Ejercicios resueltos
1. El silicio tiene un gap de 1,12 eV. ¿Qué longitud de onda máxima de luz puede absorber para generar pares electrón-hueco? (h·c ≈ 1 240 eV·nm)
λ = h·c / E = 1 240 eV·nm / 1,12 eV ≈ 1 107 nm, en el infrarrojo cercano. Fotones de mayor longitud de onda no tienen energía suficiente.
2. Calcula la longitud de onda de la luz emitida por un LED de GaAs con un gap de 1,42 eV.
λ = 1 240 / 1,42 ≈ 873 nm, también infrarroja, no visible para el ojo humano.
3. Un diodo de silicio, que consume 0,7 V cuando conduce, se conecta en serie con una resistencia de 430 Ω a una fuente de 5 V. ¿Qué corriente circula?
La tensión sobre la resistencia es 5 − 0,7 = 4,3 V. Por la ley de Ohm, I = V/R = 4,3 / 430 = 0,010 A = 10 mA.
Preguntas frecuentes
¿Qué es un semiconductor?
Un material que conduce la electricidad mejor que un aislante y peor que un metal, y cuya conductividad se puede controlar mediante dopado, temperatura, luz o campos eléctricos. El silicio es el más utilizado.
¿Por qué se usa tanto el silicio?
Porque es muy abundante, tiene un gap adecuado para trabajar a temperatura ambiente y forma con facilidad un óxido aislante (SiO₂) de gran calidad, esencial para fabricar transistores y circuitos integrados.
¿Qué es un hueco?
Es la ausencia de un electrón en la banda de valencia. Se comporta como una partícula con carga positiva que se desplaza cuando los electrones vecinos ocupan su lugar.
¿Qué diferencia hay entre semiconductor tipo N y tipo P?
En el tipo N predominan los electrones libres, gracias a impurezas con cinco electrones de valencia; en el tipo P predominan los huecos, por impurezas con tres electrones de valencia.
¿Por qué un semiconductor conduce mejor al calentarse?
Porque la energía térmica permite que más electrones salten desde la banda de valencia a la de conducción, de manera que aumentan los portadores de carga disponibles.
Referencias
- Kittel, C. Introducción a la física del estado sólido. Reverté.
- Sze, S. M. y Ng, K. K. Physics of Semiconductor Devices. Wiley.
- Serway, R. A. y Jewett, J. W. Física para ciencias e ingeniería. Cengage Learning.
Cómo citar este artículo
Equipo de Conceptualia. (2023). «Semiconductores». Conceptualia. https://conceptualia.es/ciencias-naturales/fisica/semiconductores/
