inform-yourself23

[inform-yourself23]

Dispositivos semiconductores 

Un dispositivo semiconductor es un componente electrónico que emplea las propiedades electrónicas de los materiales semiconductores, principalmente del silicio, el germanio y el arseniuro de galio, así como de los semiconductores orgánicos. Los dispositivos semiconductores han reemplazado a los dispositivos termoiónicos (tubos de vacío) en la mayoría de las aplicaciones. Usan conducción electrónica en estado sólido, como diferente del estado gaseoso o de la emisión termoiónica en un gran vacío.

Los dispositivos semiconductores se fabrican tanto como dispositivos individuales discretos, como circuitos integrados (CI), que consisten en un número -desde unos pocos (tan pocos como dos) a miles de millones- de dispositivos fabricados e interconectados en un único sustrato semiconductor, también denominado oblea.

[inform-yourself23]

Los materiales semiconductores son tan útiles debido a que su comportamiento puede ser fácilmente manipulado por la adición de impurezas, conocidas como dopaje . La conductividad semiconductora puede ser controlada por la introducción de un campo eléctrico o magnético, por la exposición a la luz o el calor, o por deformación mecánica de una rejilla monocristalina dopada; por lo que, los semiconductores pueden ser excelentes sensores. La conducción de corriente en un semiconductor se produce a través de electrones y agujeros móviles o "libres", conocidos conjuntamente como portadores de carga. El dopaje de un semiconductor como el silicio con una pequeña cantidad de átomos de impurezas, tales como el fósforo o boro, aumenta en gran medida el número de electrones o agujeros libres dentro del semiconductor. Cuando un semiconductor dopado contiene huecos en exceso que se llama "tipo p" y cuando contiene un exceso de electrones libres se conoce como de "tipo n", donde p (positivo para agujeros) o n (negativo para electrones) es el signo de los portadores de carga móviles mayoritarios. El material semiconductor que se utiliza en dispositivos se dopa en condiciones muy controladas en una instalación de fabricación, o fab, para controlar con precisión la ubicación y la concentración de dopantes tipo-p y tipo-n. La unión que se forma entre los semiconductores de tipo-n y tipo-p se denominan junturas p-n.

[inform-yourself23]

¿Por qué un semiconductor conduce o no conduce la electricidad?

Ahora bien, ¿qué tiene de especial esos materiales para dejar pasar la corriente eléctrica unas veces sí, y otras veces no? Dejando de lado la precisión química y física nos vamos a centrar en dos tipos de semiconductores típicos para ilustrar esta pequeña explicación: silicio con impurezas de fósforo y silicio con impurezas aluminio.

Si recuerdas aquellas clases de química, podemos pensar en un átomo como si del Sistema Solar se tratase: en el centro está el núcleo y alrededor de él giran los electrones. Salvo en la primera órbita que sólo puede haber dos electrones, las demás tienen cabida para ocho de ellos, y de hecho, los átomos “quieren” tener siempre todas sus órbitas (llamadas técnicamente orbitales) completas para alcanzar así el estado más estable posible. En el caso de los semiconductores de tipo p, dentro de los cuales se enmarca el silicio con impurezas de aluminio, existe un enlace covalente en el que ambos átomos comparten los electrones de sus últimas órbitas, lo que da lugar a un total de siete en esa última capa (cuatro del silicio y tres aluminio).

[inform-yourself23]

El problema es que aún sigue faltando un electrón más para completarla, y en el momento en el cual “lo capta” se crea un material cargado negativamente.

Por el contrario, en los semiconductores de tipo n, como el silicio con impurezas de fósforo, sucede lo opuesto. En este caso contamos con cuatro electrones del silicio y cinco del fósforo, de forma que es necesario desprenderse de un electrón para alcanzar esa órbita de ocho, lo que da lugar a una material cargado negativamente.

Pues bien, la “magia” tiene lugar cuando se pone en contacto un semiconductor de tipo n con otro de tipo p y se conecta a una fuente eléctrica. Si el polo positivo coincide con el tipo p, cargado negativamente, se dice que tiene lugar una polarización directa y permite el paso de la electricidad. Por el contrario, si el polo positivo se conecta al tipo n, cargado también de forma positiva, la polarización es inversa y actuaría como aislante. ¿Por qué ocurre eso? La forma más inmediata es pensar que en el caso de la polarización inversa, al conectar el polo positivo con el tipo n de igual polaridad “las cargas de igual signo se repelen”, mientras que al revés se atraen y sí permite la circulación de electrones, o lo que es lo mismo, de una corriente eléctrica, la cual no es más que un flujo de cargas negativas.

[inform-yourself23]

¿Para qué se utilizan los semiconductores?

La aplicación más inmediata de un semiconductor es la de un diodo, entre los cuales se encuentran los conocidos diodos emisores de luz o LEDs. Así pues, según tipo de dioso, se puede desde modular y/o rectificar una señal hasta conseguir luz, o incluso convertir corriente alterna en continua..

Sin embargo, la aplicación más importante los semiconductores radica en la fabricación de transistores. Estos dispositivos, que pueden ser de tipo npn ó pnp, permiten obtener una señal de salida en respuesta de una entrada y desde su invención en 1947 supusieron una pequeña gran revolución en la electrónica de consumo al dejar atrás los más voluminosos, costosos y menos fiables tubos de vacíos.

Así pues, mediante una combinación de transistores es posible crear un elemento lógico capaz de realizar simples operaciones matemáticas (sumas, restas, multiplicaciones…), los cuales reciben el nombre de puertas lógicas, lo que llevado al extremo se convierte en los chips y microprocesadores que tienen todos y cado uno de los dispositivos electrónicos que nos rodean, desde nuestro smartphone hasta una simple calculadora, pasando por la televisión, el ordenador, y como no, nuestro coche. No obstante, cabe señalar que el uso de materiales semiconductores en electrónica es anterior a la invención del transistor, y es que a principios del siglo XX ya se empleaban dispositivos como un rectificador de óxido de cobre o selenio fabricado por Westinghouse Electric para convertir corriente alterna en corriente continua, aunque como en la mayoría de los progresos técnicos, no fue hasta la Segunda Guerra Mundial (1939 – 1945) cuando se empezó a explorar el uso de estos materiales en dispositivos de radio y radar al rescatar los olvidados “detectores de bigotes de gato”(cat whisker detector), un dispositivo que está compuesto por un filamento o bigote metálico que hace contacto con un cristal semiconductor (normalmente pirita, silicio vítreo o carburo de silicio) para detectar las ondas de radio.