QUÍMICA DE LOS SEMICONDUCTORES

Saludos estimada comunidad de Steemit y en especial a Steem-espanol.

Los metales han sido usados desde la prehistoria. Pero en las últimas décadas han desarrollado novedosos tipos de compuestos de metales que son los semiconductores. Estos materiales son fundamentales para la sociedad actual y su economía. Por esto intentaré que comprendamos sus propiedades químicas utilizando la teoría del orbital molecular para saber porque los metales conducen la corriente eléctrica y porque los semiconductores presentan características exclusivas.

Antes de entrar en los semiconductores debo definir unos conceptos previos como lo son los conductores, los aislantes y la teoría de bandas.

Las redes cristalinas de metales se suponen como macromoléculas unidas por enlaces deslocalizados, formados por sus orbitales atómicos. Incluso un trozo pequeñito de un metal tiene una cantidad grande de átomos y por ende un sinfín de orbitales disponibles capaces de formar los orbitales moleculares. Para los metales, estos orbitales dispersados sobre incontables átomos conllevan a una banda de orbitales moleculares, esta con energías próximas en un establecido rango. Como se muestra en la figura siguiente donde se muestra que a medida que aumentan los átomos del metal también aumenta el número de orbitales moleculares hasta que sus energías están tan cercas que se forma en una banda.

Cada uno de los orbitales puede contener solo dos electrones de espin opuesto. Esta razón de que los orbitales moleculares presentes en la banda energética se encuentren deslocalizados, explica los enlaces de los metales. Esto se conoce en química y física como la teoría de bandas. Como se muestra en la figura la banda energética no presenta electrones en todos sus orbitales, porque nunca hay suficientes electrones para llenarlos. En consecuencia estos se acomodan en los orbitales de energía más bajo. El lugar de mayor energía ocupado por un electrón se denomina nivel de Fermi. Cuando se proporciona energía ocurre un salto de los electrones de la parte llena de la banda a la que se encuentra vacía de estos. Cuando esto ocurre se crean se forman dos espacios ocupados con un solo electrón. Esto se esquematiza en la figura 2.

Sobre el nivel de Fermi se encuentra un electrón negativo y por debajo se denomina un "hueco" positivo por la pérdida del electrón. En presencia de un campo eléctrico los electrones tienen a moverse o saltar hacia el lado positivo y por ende los huecos hacia el lado negativo. Estos huecos se irán desplazando de lugar debido a que los electrones adyacentes saltaran a ocuparlos por la regla de que los polos opuestos se atraen, y de esta forma se genera un nuevo hueco. De aquí se puede definir la conductividad eléctrica de los metales ya que se debe al desplazamiento de los electrones de los orbitales ocupados por uno solo, cerca del nivel de Fermi cuando se encuentre un campo eléctrico aplicado.

Los metales son capaces de adsorber energía en la mayor parte del espectro electromagnético, es decir, en todas las longitudes de onda. Esto se debe a que la brecha entre los niveles de energía ocupados y los vacíos es muy corta. El nivel de energía más alto ocupado se denomina "banda de valencia" y este está parcialmente lleno mientras que los niveles de energía que se encuentra vacíos se denominan "bandas de conducción". Esta característica es la responsable de permitir la conductividad eléctrica. Al contrario de los aislantes eléctricos que presentan una banda de valencia enteramente llena y los próximos niveles vacíos se encuentran muy alejados, es decir, necesitan una energía mucho mayor. Por lo que el salto electrónico no es probable y no hay conductividad eléctrica.

Los elementos del grupo 4A de la tabla periódica como el Silicio y el Germanio son semiconductores, esto quiere decir que pueden conducir pocas cantidades de corriente, y sus estructuras cristalinas son parecidas a la del diamante (cada carbono está cercado por 4 carbonos más formando un tetraedro) que es un aislante eléctrico.Los semiconductores se encuentran entre los conductores y los aislantes. Existen algunas diferencias que explican porque la conductividad es distintas entre el diamante, silicio y germanio siendo similares en sus estructuras.

La respuesta a esa pregunta está en el tamaño de la brecha de banda o brecha energética. Como dije anteriormente cuando un electrón salta de la banda de valencia a la banda de conducción se crear dos estados con un solo electrón ocupándolo permitiendo que ocurra la conductividad eléctrica. Pero en el diamante esta brecha es muy grande alrededor de 520 kJ/mol por lo que es un aislante térmico, Por otra parte los semiconductores presentan brechas entre 50 y 310 kJ/mol estando el silicio y el germanio en este intervalo. Aun cuando la energía es un poco alta, algunos electrones pueden ser realizar el salto energético de una a la otra banda con el suministro de energía.

Los semiconductores se dividen en dos grupos denominados semiconductores intrínsecos y extrínseco. El silicio y el germanio se encuentran en el primero de estos grupos con la ayuda de la figura siguiente se pueden definir.