Semiconductor

INTRODUCCIÓN Un semiconductor es un elemento material cuya conductividad eléctrica puede considerarse situada entre las de un aislante y la de un conductor, considerados en orden creciente. Los semiconductores más conocidos son el siliceo (Si) y el germanio (Ge). Debido a que, como veremos más adelante, el comportamiento del siliceo es más estable que el germanio frente a todas las perturbaciones exteriores que puden variar su respuesta normal, será el primero (Si) el elemento semiconductor más utilizado en la fabricación de los componentes electrónicos de estado solido. A él nos referiremos normalmente, teniendo en cuenta que el proceso del germanio es absolutamente similar. Como todos los demás, el átomo de silicio tiene tantas cargas positivas en el núcleo, como electrones en las órbitas que le rodean. (En el caso del silicio este número es de 14). El interés del semiconductor se centra en su capacidad de dar lugar a la aparición de una corriente, es decir, que haya un movimiento de electrones. Como es de todos conocido, un electrón se siente más ligado al núcleo cuanto mayor sea su cercanía entre ambos. Por tanto los electrones que tienen menor fuerza de atracción por parte del núcleo y pueden ser liberados de la misma, son los electrones que se encuentran en las órbitas exteriores. Estos electrónes pueden, según lo dicho anteriormente, quedar libres al inyectarles una pequeña energía. En estos recaerá nuestra atención y es así que en vez de utilizar el modelo completo del átomo de silicio (figura 1), utilizaremos la representación simplificada (figura 2) donde se resalta la zona de nuestro interés.

La zona sombreada de la figura 2 representa de una manera simplificada a la zona sombreada de la figura 1 Como se puede apreciar en la figura, los electrones factibles de ser liberados de la fuerza de atracción del núcleo son cuatro.

MATERIALES SEMICONDUCTORES Los primeros semiconductores utilizados para fines técnicos fueron pequeños detectores diodos empleados a principios del siglo 20 en los primitivos radiorreceptores, que se conocían como “de galena”. Ese nombre lo tomó el radiorreceptor de la pequeña piedra de galena o sulfuro de plomo (PbS) que hacía la función de diodo y que tenían instalado para sintonizar las emisoras de radio. La sintonización se obtenía moviendo una aguja que tenía dispuesta sobre la superficie de la piedra. Aunque con la galena era posible seleccionar y escuchar estaciones de radio con poca calidad auditiva, en realidad nadie conocía que misterio encerraba esa piedra para que pudiera captarlas. En 1940 Russell Ohl, investigador de los Laboratorios Bell, descubrió que si a ciertos cristales se le añadía una pequeña cantidad de impurezas su conductividad eléctrica variaba cuando el material se exponía a una fuente de luz. Ese descubrimiento condujo al desarrollo de las celdas fotoeléctricas o solares. Posteriormente, en 1947 William Shockley, investigador también de los Laboratorios Bell, Walter Brattain y John Barden, desarrollaron el primer dispositivo semiconductor de germanio (Ge), al que denominaron “transistor” y que se convertiría en la base del desarrollo de la electrónica moderna. Los semiconductores son elementos que tienen una conductividad eléctrica inferior a la de un conductor metálico pero superior a la de un buen aislante. El semiconductor más utilizado es el silicio, que es el elemento más abundante en la naturaleza, después del oxígeno. Otros semiconductores son el germanio y el selenio. Los átomos de silicio tienen su orbital externo incompleto con sólo cuatro electrones, denominados electrones de valencia. Estos átomos forman una red cristalina, en la que cada átomo comparte sus cuatro electrones de valencia con los cuatro átomos vecinos, formando enlaces covalentes. A temperatura ambiente, algunos electrones de valencia absorben suficiente energía calorífica para librarse del enlace covalente y moverse a través de la red cristalina, convirtiéndose en electrones libres. Si a estos electrones, que han roto el enlace covalente, se les somete al potencial eléctrico de una pila, se dirigen al polo positivo. Cuando un electrón libre abandona el átomo de un cristal de silicio, deja en la red cristalina un hueco, que con respecto a los electrones próximos tiene efectos similares a los que provocaría una carga positiva. Los huecos tienen la misma carga que el electrón pero con signo positivo. El comportamiento eléctrico de un semiconductor se caracteriza por los siguientes fenómenos: - Los electrones libres son portadores de carga negativa y se dirigen hacia el polo positivo de la pila. - Los huecos son portadores de carga positiva y se dirigen hacia el polo negativo de la pila. - Al conectar una pila, circula una corriente eléctrica en el circuito cerrado, siendo constante en todo momento el número de electrones dentro del cristal de silicio. - Los huecos sólo existen en el seno del cristal semiconductor. Por el conductor exterior sólo circulan los electrones que dan lugar a la corriente eléctrica. Los "semiconductores" como el silicio (Si), el germanio (Ge) y el selenio (Se), por ejemplo, constituyen elementos que poseen características intermedias entre los cuerpos conductores y los aislantes, por lo que no se consideran ni una cosa, ni la otra. Sin embargo, bajo determinadas condiciones esos mismos elementos permiten la circulación de la corriente eléctrica en un sentido, pero no en el sentido contrario. Esa propiedad se utiliza para rectificar corriente alterna, detectar señales de radio, amplificar señales de corriente eléctrica, funcionar como interruptores o compuertas utilizadas en electrónica digital, etc.

Lugar que ocupan en la Tabla Periódica los trece elementos con. características de semiconductores, identificados con su correspondiente. número atómico y grupo al que pertenecen. Los que aparecen con fondo. gris corresponden a “metales”, los de fondo verde a “metaloides” y los de. fondo azul a “no metales”. Esos elementos semiconductores que aparecen dispuestos en la Tabla Periódica constituyen la materia prima principal, en especial el silicio (Si), para fabricar diodos detectores y rectificadores de corriente, transistores, circuitos integrados y microprocesadores. Los átomos de los elementos semiconductores pueden poseer dos, tres, cuatro o cinco electrones en su última órbita, de acuerdo con el elemento específico al que pertenecen. No obstante, los elementos más utilizados por la industria electrónica, como el silicio (Si) y el germanio (Ge), poseen solamente cuatro electrones en su última órbita. En este caso, el equilibrio eléctrico que proporciona la estructura molecular cristalina característica de esos átomos en estado puro no les permite ceder, ni captar electrones. Normalmente los átomos de los elementos semiconductores se unen formando enlaces covalentes y no permiten que la corriente eléctrica fluya a través de sus cuerpos cuando se les aplica una diferencia de potencial o corriente eléctrica. En esas condiciones, al no presentar conductividad eléctrica alguna, se comportan de forma similar a un material aislante. TABLA DE ELEMENTOS SEMICONDUCTORES Número Atómico 48 5

Nombre del Elemento Cd (Cadmio) B (Boro)

13

Al (Aluminio)

31

Ga (Galio)

49

In (Indio)

14

Si (Silicio)

32

Ge (Germanio)

15

P (Fósforo)

33

As (Arsénico)

51

Sb (Antimonio)

16

S (Azufre)

Grupo en la Tabla Periódica IIa

IIIa

IVa

Categoría Metal Metaloide

VIa

Números de valencia +2 +3

4 e-

+4

5 e-

+3, -3, +5

6 e-

+2, -2 +4, +6

Metal

Metaloide No metal

Va

Electrones en la última órbita 2 e3 e-

Metaloide No metal

34

Se (Selenio)

52

Te (Telurio)

Metaloide

Incremento de la conductividad en un elemento semiconductor La mayor o menor conductividad eléctrica que pueden presentar los materiales semiconductores depende en gran medida de su temperatura interna. En el caso de los metales, a medida que la temperatura aumenta, la resistencia al paso de la corriente también aumenta, disminuyendo la conductividad. Todo lo contrario ocurre con los elementos semiconductores, pues mientras su temperatura aumenta, la conductividad también aumenta. En resumen, la conductividad de un elemento semiconductor se puede variar aplicando uno de los siguientes métodos: • • •

Elevación de su temperatura Introducción de impurezas (dopaje) dentro de su estructura cristalina Incrementando la iluminación.

Con relación a este último punto, algunos tipos de semiconductores, como las resistencias dependientes de la luz (LDR – Light-dependant resistors), varían su conductividad de acuerdo con la cantidad de luz que reciben. SEMICONDUCTORES SILICIO El silicio es un elemento químico no metálico situado en el grupo 14 de la tabla periódica de los elementos formando parte de la familia de los carbonoideos. Es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre (27,7% en peso) después del oxígeno. Se presenta en forma amorfa y cristalizada; el primero es un polvo parduzco, más activo que la variante cristalina, que se presenta en octaedros de color azul grisáceo y brillo metálico. CARACTERISTICAS PRINCIPALES Sus propiedades son intermedias entre las del carbono y el germanio. En forma cristalina es muy duro y poco soluble y presenta un brillo metálico y color grisáceo. Aunque es un elemento relativamente inerte y resiste la acción de la mayoría de los ácidos, reacciona con los halógenos y álcalis diluidos. El silicio transmite más del 95% de las longitudes de onda de la radiación infrarroja. APLICACIONES Se utiliza en aleaciones, en la preparación de las siliconas, en la industria de la cerámica técnica y, debido a que es un material semiconductor muy abundante, tiene un interés especial en la industria electrónica y microelectrónica como material básico para la creación de obleas o chips que se pueden implantar en transistores, pilas solares y una gran variedad de circuitos electrónicos.

El silicio es un elemento vital en numerosas industrias. El dióxido de silicio (arena y arcilla) es un importante constituyente del hormigón y los ladrillos, y se emplea en la producción de cemento portland. Por sus propiedades semiconductoras se usa en la fabricación de transistores, células solares y todo tipo de dispositivos semicondutores; por esta razón se conoce como Silicon Valley (Valle del Silicio) a la región de California en la que concentran numerosas empresas del sector de la electrónica y la informática. Otros importantes usos del silicio son: Como material refractario, se usa en cerámicas, vidriados y esmaltados. Como elemento fertilizante en forma de mineral primario rico en silicio, para la agricultura. Como elemento de aleación en fundiciones. Fabricación de vidrio para ventanas y aislantes. El carburo de silicio es uno de los abrasivos más importantes. Se usa en láseres para obtener una luz con una longitud de onda de 456 nm. La silicona se usa en medicina en implantes de seno y lentes de contacto.

SEMICONDUCTORES DE GERMANIO Germanio Tabla completa General Nombre, símbolo, número Germanio, Ge, 32 Serie química Metaloides Grupo, periodo, bloque 14, 4 , p Densidad, dureza Mohs 5323 kg/m³, 6 Apariencia Blanco grisáceo Propiedades atómicas Peso atómico 72,64 uma

Radio medio† 125 pm Radio atómico calculado 125 pm Radio covalente 122 pm Radio de Van der Waals Sin datos Configuración electrónica [Ar]3d10 4s 4p

Estados de oxidación (óxido) 4 (anfótero) Estructura cristalina Cúbica centrada en las caras Propiedades físicas Estado de la materia Sólido Punto de fusión 1211,4 K Punto de ebullición 3093 K Entalpía de vaporización 330,9 kJ/mol Entalpía de fusión 36,94 kJ/mol Presión de vapor 0,0000746 Pa a 1210 K Velocidad del sonido 5400 m/s a 293,15 K Información diversa Electronegatividad 2,01 (Pauling) Calor específico 320 J/(kg·K) Conductividad eléctrica 1,45 m-1·Ω−1 Conductividad térmica 59,9 W/(m·K) 1° potencial de ionización 762 kJ/mol 2° potencial de ionización 1537,5 kJ/mol

3° potencial de ionización 3302,1 kJ/mol 4° potencial de ionización 4411 kJ/mol 5° potencial de ionización 9020 kJ/mol Isótopos más estables iso. AN periodo de semidesintegración MD ED MeV PD 70Ge 21,23% Ge es estable con 38 neutrones 72Ge 27,66% Ge es estable con 40 neutrones 73Ge 7,73% Ge es estable con 41 neutrones 74Ge 35,94% Ge es estable con 42 neutrones Valores en el SI y en condiciones normales (0 °C y 1 atm), salvo que se indique lo contrario. †Calculado a partir de distintas longitudes de enlace covalente, metálico o iónico. El germanio es un elemento químico con número atómico 32, y símbolo Ge perteneciente al grupo 14 de la tabla periódica de los elementos. APLICACIONES Las aplicaciones del germanio se ven limitadas por su elevado coste y en muchos casos se investiga su sustitución por materiales más económicos. Fibra óptica. Electrónica: Radares y amplificadores de guitarras eléctricas usados por músicos nostálgicos del sonido de la primera época del rock and roll; aleaciones Si Ge en circuitos integrados de alta velocidad. También se utilizan compuestos sandwich Si/Ge para aumentar la movilidad de los electrones en el silicio (streched silicon) Óptica de infrarrojos: Espectroscopios, sistemas de visión nocturna y otros equipos. Lentes, con alto índice de refracción, de ángulo ancho y para microscopios. En joyería se usa la aleación Au con 12% de germanio. Como elemento endurecedor del aluminio, magnesio y estaño.

Quimioterapia. El teratracloruro de germanio es un ácido de Lewis y se usa como catalizador en la síntesis de polímeros (PET). SEMICONDUCTOR INDIO El indio, sustancia química cuyo símbolo es In, es un metal semiconductor con importantes aplicaciones técnicas. Rasgos Se conocen sólo unos 10 minerales de In, de ninguno de los cuales hay depósitos de alta concentración. En el año 2007 se estimaba que en todo el planeta sólo había In suficiente, a costos razonables, para 13 años de aplicaciones.[1] Entre 2005 y 2007 su precio fluctuó entre 700 y 1.000 dólares por kilogramo. Aplicaciones 1. Celdas fotoeléctricas. 2. Conductor de calor en microprocesadores. 3. Estándard de calibración en calorimetría y termometría. 4. Galinstan, aleación líquida a temperatura ambiente. 5. Fuente de radiación gamma. 6. Lámparas de sodio de baja presión. 7. Leds (díodos luminiscentes). 8. Medición de flujo de neutrones en Física Nuclear. 9. Paneles electroluminiscentes. 10.Pasivación de aluminio. 11.Sellador en sistemas de alto vacío y de bajas temperaturas. 12.Transistores. 13.Varillas de control de reactores nucleares.

BIBLIOGRAFIA http://www.ifent.org/lecciones/semiconductor/default.asp http://www.asifunciona.com/fisica/ke_semiconductor/ke_semiconductor_3.htm http://www.mitecnologico.com/Main/SemiconductoresSilicio http://soliverez.com.ar/cyt-ar/index.php/Indio_%28semiconductor%29