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¿Qué es un semiconductor?

¿Qué es un semiconductor?

Los semiconductores y la tecnología de semiconductores forman la base de la mayor parte de la industria electrónica en estos días. Los transistores, diodos, circuitos integrados y muchos más dispositivos tienen en común la tecnología de semiconductores. Como resultado del enorme grado de flexibilidad que proporciona la tecnología de semiconductores, ha permitido que la electrónica se apodere de muchas áreas de la vida cotidiana que hace cincuenta años no se podían concebir.

Conductores y no conductores

Una corriente eléctrica ocurre cuando hay un flujo de electrones en una dirección determinada. Como los electrones tienen una carga negativa, su movimiento significa que la carga fluye de un punto a otro y esto es lo que es una corriente eléctrica.

Para permitir que la corriente fluya, los electrones deben poder moverse libremente dentro del material. En algunos materiales, los electrones se mueven libremente alrededor de la red, aunque el número de electrones y los espacios disponibles para ellos se equilibran, por lo que el material en sí no tiene carga. En estos materiales, los electrones se mueven libremente pero al azar. Al colocar una diferencia de potencial a través del conductor, se puede hacer que los electrones se desvíen en una dirección y esto constituye una corriente eléctrica. Muchos materiales pueden conducir electricidad, pero los metales son los ejemplos más comunes.

A diferencia de los metales, hay muchos otros materiales en los que todos los electrones están firmemente unidos a sus moléculas madre y no son libres de moverse. En consecuencia, cuando se coloca un potencial a través de la sustancia, muy pocos electrones podrán moverse y muy poca o ninguna corriente fluirá. Estas sustancias se denominan no conductoras o aislantes. Incluyen la mayoría de plásticos, cerámicas y muchas sustancias naturales como la madera.

Semiconductores

Los semiconductores no entran en las categorías de conductores o no conductores. En cambio, se encuentran en el medio. Una variedad de materiales entran en esta categoría, e incluyen silicio, germanio, arseniuro de galio y una variedad de otras sustancias.

En su estado puro, el silicio es un aislante sin electrones libres en la red cristalina. Sin embargo, para comprender cómo actúa como semiconductor, primero observe la estructura atómica del silicio en su estado puro. Cada molécula de la red cristalina consta de un núcleo con tres anillos u órbitas que contienen electrones, y cada electrón tiene una carga negativa. El núcleo consta de neutrones que son neutros y no tienen carga y protones que tienen carga positiva. En el átomo hay la misma cantidad de protones y electrones, por lo que todo el átomo no tiene carga total.

Los electrones en el silicio, como en cualquier otro elemento, están dispuestos en anillos con números estrictos de electrones en cada órbita. El primer anillo solo puede contener dos y el segundo ocho. El tercer y exterior anillo del silicio tiene cuatro. Los electrones de la capa exterior se comparten con los de los átomos adyacentes para formar una red cristalina. Cuando esto sucede, no hay electrones libres en la red, lo que hace que el silicio sea un buen aislante. Se puede ver una imagen similar para el germanio. Tiene dos electrones en la órbita más interna, ocho en la siguiente, 18 en la tercera y cuatro en la externa. Nuevamente comparte sus electrones con los de átomos adyacentes para formar una red cristalina sin electrones libres.

Impurezas

Para convertir el silicio o cualquier otro semiconductor en un material parcialmente conductor, es necesario agregar una cantidad muy pequeña de impureza al material. Esto cambia considerablemente las propiedades.

Si se agregan trazas de impurezas de materiales que tienen cinco electrones en el anillo exterior de sus átomos, ingresan a la red cristalina compartiendo electrones con el silicio. Sin embargo, como tienen un electrón extra en el anillo exterior, un electrón queda libre para moverse por la red. Esto permite que fluya una corriente si se aplica un potencial a través del material. Como este tipo de material tiene un exceso de electrones en la red, se lo conoce como semiconductor tipo N. Las impurezas típicas que se utilizan a menudo para crear semiconductores de tipo N son el fósforo y el arsénico.

También es posible colocar elementos con solo tres electrones en su capa exterior en la red cristalina. Cuando esto sucede, el silicio quiere compartir sus cuatro electrones con otro átomo de cuatro átomos. Sin embargo, como la impureza solo tiene tres, hay un espacio o un agujero para otro electrón. Como a este tipo de material le faltan electrones, se lo conoce como material de tipo P. Las impurezas típicas utilizadas para el material tipo P son el boro y el aluminio.

Agujeros

Es fácil ver cómo los electrones pueden moverse alrededor de la red y transportar una corriente. Sin embargo, no es tan obvio para los agujeros. Esto sucede cuando un electrón de una órbita completa se mueve para llenar un agujero, dejando un agujero de donde vino. Luego, otro electrón de otra órbita puede moverse para llenar el nuevo agujero y así sucesivamente. El movimiento de los agujeros en una dirección corresponde a un movimiento de electrones en la otra, por lo tanto, una corriente eléctrica.

A partir de esto, se puede ver que los electrones o los huecos pueden transportar carga o una corriente eléctrica. Como resultado, se conocen como portadores de carga, siendo los huecos los portadores de carga para un semiconductor de tipo P y los electrones para un semiconductor de tipo N.

Resumen

El principio detrás de los semiconductores puede parecer bastante sencillo. Sin embargo, pasaron muchos años antes de que se pudieran explotar muchas de sus propiedades, y muchos más antes de que pudieran refinarse. Hoy en día, muchos de los procesos usados ​​con semiconductores han sido altamente optimizados y los componentes como circuitos integrados son altamente sofisticados. Sin embargo, se basan en el hecho de que se pueden dopar diferentes áreas del semiconductor para fabricar semiconductores de tipo P y tipo N.

Lista de términos comunes de semiconductores

  • Portador de carga - El portador de carga es una partícula libre (móvil, libre) que lleva una carga eléctrica, p. Ej. un electrón o un agujero.
  • Conductor - Un material en el que los electrones pueden moverse libremente y la electricidad puede fluir.
  • Electrón - Partícula subatómica con carga negativa.
  • Agujero - La ausencia de un electrón de valencia en un cristal semiconductor. El movimiento de un agujero es equivalente al movimiento de una carga positiva, es decir, opuesto al movimiento de un electrón.
  • Aislante - Un material en el que no hay electrones libres disponibles para transportar electricidad.
  • Transportista mayoritario - Portadores de corriente, ya sean electrones libres o huecos en exceso, es decir, en su mayoría en un área específica de un material semiconductor. Los electrones son los portadores mayoritarios en los semiconductores de tipo N y los huecos en un área de tipo P.
  • Transportista minoritario - Portadores de corriente, ya sean electrones libres o huecos que se encuentran en minoría en un área específica de un material semiconductor
  • Tipo N - Un área de un semiconductor en la que hay un exceso de electrones.
  • Tipo P - Una zona de un semiconductor en la que hay un exceso de huecos.
  • Semiconductor - Un material, que no es ni aislante ni conductor pleno, que tiene un nivel intermedio de conductividad eléctrica y en el que la conducción se realiza mediante huecos y electrones.

Ver el vídeo: La Manufactura de un Semiconductor - Texas Instruments (Octubre 2020).