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Ahora bien, este sera mi primer artículo en mi idioma natural. Pocos usuarios en la comunidad de habla hispana me conocen, ya que mis anteriores artículos fueron escritos en inglés, y este post es una manera de darme a conocer, y mostrarles a través de diferentes publicaciones en que área de la ciencia que me dedico.
Soy investigador científico en el área Física de los compuestos semiconductores, y a continuación hablare un poco de ello.
Semiconductores
Los semiconductores más usados son los dos elementos del grupo IV de la tabla periódica, es decir, silicio (Si) y germanio (Ge). Son los que se han estudiado con mayor detalle debido a que pueden ser obtenidos con alta pureza y crecidos en forma monocristalina con mayor facilidad, estos compuestos pueden comportarse como un conductor o como un aislante, dependiendo de diferentes factores tales como; temperatura, presión, campo eléctrico o magnético.
Circuitos integrados, fabricados con semiconductores
Otra características importante de los semiconductores es que tienen una conductividad eléctrica inferior a la de un conductor metálico, pero superior a la de un buen aislante. Existe una diferencia entre un semiconductor como el germanio, y un conductor como la plata, por ejemplo; la resistencia de un buen conductor desciende rápidamente al bajar la temperatura, mientras que un mal conductor se eleva y se hace muy grande conforme la temperatura se va aproximando al cero absoluto. Un cristal perfecto y puro, de la mayor parte de los semiconductores, será un aislador. Las propiedades semiconductoras características aparecen debido a la excitación térmica, impurezas, defectos en la red, o falta de estequiometria. Los semiconductores son conductores electrónicos cuyos valores de la resistividad están, generalmente, en el intervalo de 10E-2 a 10E9 ohm-cm, a temperatura ambiente, intermedia entre los buenos conductores 10E-6 ohm-cm y los aisladores 10E-14 a 10E22 ohm-cm [1].
También se puede decir que los semiconductores son elementos de la tabla periódica que pueden combinarse mediante diferentes técnicas de síntesis para su respectivo crecimiento, es decir, se pueden crear compuestos binarios (2 elementos), ternarios (3 elementos) y cuaternarios (4 elementos).
Existen dos tipos de semiconductores que son, los intrínsecos y extrínsecos. Pero antes de definir los dos tipos de semiconductores quiero que ustedes tengan conocimiento de los niveles de energía, ya que es la parte fundamental para poder entender el comportamiento de estos elementos.
Niveles de energía
Si nosotros imaginamos cierta cantidad de electrones que están separados y que no interactúan entre sus niveles de energía (figura 2), estos electrones podrían observarse como si pertenecieran a un solo átomo, ya que por el principio de exclusión en este caso nos permite tener a varios electrones en un solo estado, pero a medida si nosotros a medida que nos acercáramos a los átomos (figura 3) a su separación real, estos distorsionan y superponen la funciones de la onda en los electrones de ultima capa, estos serian "los electrones de valencia", y los niveles de energía se despliegan hacia arriba y hacia abajo (figura 4), por lo tanto se crean niveles muy cercanos entre si.
Figura 2. Esquema de átomos separados sin interacción entre ellos.
Figura 3. Esquema de los átomos en su separación real.
Figura 4. Diagrama que muestra como se desarrollan los niveles de energía.
Ahora decimos que si cantidad de electrones es del orden de 10E24, podemos considerar que los niveles de energía forman "bandas de energía", y entre cada existencia hay regiones donde los niveles de energía no están permitidos (figura 5).
Figura 5. Diagrama de los niveles de energía.
Cabe destacar que el estudio de los niveles de energía nos permite identificar si un material es semiconductor, conductor o aislante.
El estudio de estas bandas nos permite determinar si un material es semiconductor, conductor o aislante.
Cuando la banda de valencia esta totalmente llena de electrones, y la banda de conducción se encuentra vacía, y si aplicáramos un campo eléctrico a el material, los electrones que se encuentran en la banda de valencia se desplazarían a la banda de conducción.
Para el estudio de los semiconductores es importante conocer estos niveles, y mas aun conocer la banda prohibida, que es la que se encuentra en medio de la banda de valencia y de conducción. Entre mas estrecha sea la banda prohibida es mas fácil para los electrones desplazarse de un nivel a otro, ya que se necesita proporcionar menor campo eléctrico. Es por ello que si la temperatura aumenta, el material semiconductor aumenta su conductividad eléctrica, a diferencia de los controladores de banda es mucho mas grande y se necesita mayor intensidad de campo eléctrico para que los electrones se puedan desplazar de un nivel a otro.
Los semiconductores intrínsecos
Son semiconductores puros cuya conductividad eléctrica se determina mediante sus propiedades conductivas inherentes. Es sencillo identificar este tipo de semiconductor, ya que son aquellos que no presentan impurezas o defectos en su red cristalina, entre ellos conocemos al silicio, germanio y estaño.
Si el semiconductor tiene una temperatura de 0 ºK , entonces la banda de valencia estaría llena de electrones y la banda de conducción estaría vacía, esto se debe a que no existe agitación térmica dentro del nivel, y podríamos decir que el material semiconductor se comporta como un buen aislante. De lo contrario, si aumentamos la temperatura, los átomos de la red cristalina se agitarían y aumentarían su energía cinética, lo que lleva consigo a que los electrones en la banda de valencia puedan absorber algunos átomos vecinos de otros electrones dentro de la red cristalina y, a su vez, romper su enlace y se puedan mover libremente a través de la red.
A medida que adquieren energía cinética, los electrones se moverán a la banda de conducción y es fácil de analizar porque si aumentamos más la temperatura, más electrones entraran a la banda de conducción. En este caso, en lugar de comportarse como un aislante, el semiconductor adquiere un comportamiento conductivo. Entonces, si un electrón que está en la banda de valencia se convierte en electrón, esta vez en la banda de conducción, dejaría una posición vacía en la banda de valencia, y si aplicamos un campo eléctrico, esta posición vacía se llamaría "hueco", que podría estar ocupado por otro electrón que pertenece a la banda de valencia, que al mismo tiempo deja otro hueco. Esto se conoce comúnmente como "pares electrón-hueco".
Figura 6. Representación de los niveles de energía y la generación térmica de pares "electrón-hueco".
Los semiconductores extrínsecos
Se conocen por tener un cierto porcentaje de impurezas, llamados tambien "semiconductores dopados", y esto significa en la introducción controlada de impurezas en la red cristalina del material, un elemento es reemplazado por otro que tiene un electrón, es decir, aquellos en los que los átomos no son pares, generalmente son elementos trivalentes y pentavalentes que tienen numero atómico impar. Los semiconductores extrínsecos se pueden clasificar en:
Figura 7. Esquema del efecto donde los electrones son la mayoría de los portadores debido a que en la banda de conducción hay un mayor número de electrones.
Semiconductor extrínseco tipo p
Son aquellos que están dopados con elementos de la tabla periódica como el indio, el galio, el bromo y el aluminio. Son elementos trivalentes, ya que dejan una vacante en el nivel de energía más alto que el de la banda de valencia dentro de su estructura cristalina, por lo tanto no hay ningún electrón que ocupe esa posición ya que son elementos impares, Lo que hace que los electrones salten fácilmente son las vacantes, dejando espacios libres o vacíos en la banda de valencia.
Semiconductor extrínseco tipo n
Son aquellos que están dopados con elementos como antimonio, fósforo y arsénico. Son elementos pentavalentes, es decir que tienen 5 electrones en la última capa, lo que significa que al formar la estructura cristalina, un electrón está fuera de cualquier enlace covalente, permaneciendo en un nivel superior a los otros cuatro debido a la temperatura, además de la formación de los pares "electrón-hueco", se liberan los electrones no unidos. La conductividad eléctrica del material semiconductor aumentaría considerablemente debido a este efecto.
Esta es una versión mejorada de mi articulo en inglés
Referencias bibliográficas
[1] Smith, W; Hashemi, Fundamentos de la ciencia e ingeniería de los materiales”. 2006. Cuarta edición. México. Editorial McGraw Hill. 791, 793, 797, 799 y 800p.
Charles Kittel. Introducción a la física del estado sólido ".2007. Segunda edición. México. Editorial Reverte.
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