¿Qué es el semiconductor?: Comprendiendo los términos y la importancia del semiconductor para la tecnología

Los semiconductores son materiales que tienen una conductividad entre conductores generalmente metales y no conductores o aislantes (como la mayoría de las cerámicas). Los semiconductores pueden ser elementos puros, como el silicio o el germanio, o compuestos como el arseniuro de galio o el seleniuro de cadmio. En un proceso llamado dopaje, pequeñas cantidades de impurezas se agregan a los semiconductores puros causando grandes cambios en la conductividad del material.

Los dispositivos semiconductores ahora influyen en nuestras vidas diariamente. Aunque los aisladores y los conductores son útiles por sí mismos, los semiconductores como el silicio y el arseniuro de galio han cambiado drásticamente la forma en que viven miles de millones de personas. Su capacidad intermedia para conducir electricidad a temperatura ambiente los hace muy útiles para aplicaciones electrónicas. Por ejemplo, la industria informática moderna fue posible gracias a la capacidad de los transistores de silicio para actuar como interruptores rápidos de encendido / apagado.

 

 

 

Tipos de semiconductores:

 

- Semiconductores intrínsecos

Un semiconductor intrínseco es uno que está hecho de un material semiconductor muy puro. En una terminología más técnica, puede afirmarse que un semiconductor intrínseco es aquel en que el número de agujeros es igual al número de electrones en la banda de conducción.

La banda de energía prohibida en el caso de tales semiconductores es muy pequeña e incluso la energía disponible a temperatura ambiente es suficiente para que los electrones de valencia salten a través de la banda de conducción.

 

Otra característica de un semiconductor intrínseco es que el nivel de Fermi de dichos materiales se encuentra en algún punto entre la banda de valencia y la banda de conducción. Esto puede demostrarse matemáticamente, lo que está más allá del alcance de la discusión en este artículo. En caso de que no esté familiarizado con el término nivel de Fermi, se refiere a ese nivel de energía donde la probabilidad de encontrar un electrón es 0.5 o la mitad (recuerde que la probabilidad se mide en una escala de 0 a 1).

 

 

- Semiconductores extrínsecos:

Estos son semiconductores en los que el estado puro del material semiconductor se diluye deliberadamente mediante la adición de cantidades muy pequeñas de impurezas. Para ser más específicos, las impurezas se conocen como dopantes o agentes dopantes. Debe tenerse en cuenta que la adición de tales impurezas es realmente muy minúscula y un dopante típico podría tener una concentración del orden de 1 parte en cien millones de partes o es equivalente a 0.01 ppm.

Los materiales elegidos para el dopaje se eligen deliberadamente de tal manera que o bien tienen 5 electrones en su banda de valencia o solo tienen 3 electrones en su banda de valencia. En consecuencia, dichos dopantes se conocen como dopantes pentavalentes o trivalentes, respectivamente.

 

El tipo de dopante también da lugar a dos tipos de semiconductores extrínsecos, a saber, los semiconductores de tipo P y tipo N.

Un dopante pentavalente tal como antimonio se conoce como impurezas donadoras ya que donan un electrón adicional en la estructura cristalina que no se requiere para fines de enlace covalente y está fácilmente disponible para ser desplazado a la banda de conducción. Este electrón no da lugar a un orificio correspondiente en la banda de valencia porque ya es un exceso, por lo tanto, al dopar con dicho material, el material base como el germanio contiene más electrones que orificios, de ahí la nomenclatura del tipo N semiconductores intrínsecos.

Por otro lado, cuando se agrega un dopante trivalente como el boro al germanio, se forman orificios adicionales o extra debido al proceso exactamente inverso de lo que se describió en la sección superior. Por lo tanto, este dopante que también se conoce como aceptor crea un semiconductor de tipo P.

Por lo tanto, los electrones son la mayoría de los portadores (de corriente) en tipo N, mientras que los agujeros son portadores minoritarios. Lo contrario es cierto para los semiconductores de tipo P. Otra diferencia es que mientras que el nivel de semiconductores intrínsecos de Fermi está en algún punto entre la banda de valencia y la banda de conducción, se desplaza hacia arriba en el caso del tipo N mientras se desplaza hacia abajo en el caso del tipo P debido a razones obvias.

 

 

Dispositivo semiconductor (diodo):

Un diodo es el dispositivo semiconductor más simple posible y, por lo tanto, es un excelente punto de partida para comprender cómo funcionan los semiconductores. En este artículo, aprenderá qué es un semiconductor, cómo funciona el dopaje y cómo se puede crear un diodo utilizando semiconductores. Pero primero, echemos un vistazo de cerca al silicio.

El silicio es un elemento muy común, por ejemplo, es el elemento principal de la arena y el cuarzo. Si miras "silicio" en la tabla periódica, verás que está junto al aluminio, debajo del carbono y encima del germanio. Un diodo es el dispositivo semiconductor más simple posible. Un diodo permite que la corriente fluya en una dirección pero no en la otra. Es posible que haya visto torniquetes en un estadio o una estación de metro que permiten a las personas pasar en una sola dirección. Un diodo es un torniquete unidireccional para electrones. Cuando coloca el tipo N y el tipo P de silicio juntos como se muestra en este diagrama, obtiene un fenómeno muy interesante que le da a un diodo sus propiedades únicas.

 

 

Importancia de Semiconductor en Tecnologías:

Debido a su papel en la fabricación de dispositivos electrónicos, los semiconductores son una parte importante de nuestras vidas. Imagina la vida sin dispositivos electrónicos. No habría radios, ni televisores, ni computadoras, ni videojuegos, ni un equipo de diagnóstico médico deficiente. Aunque muchos dispositivos electrónicos podrían fabricarse utilizando tecnología de tubo de vacío, los desarrollos en la tecnología de semiconductores durante los últimos 50 años han hecho que los dispositivos electrónicos sean más pequeños, más rápidos y más confiables. Si pensamos por un minuto en todos los encuentros que tenemos con dispositivos electrónicos. ¿Cuántas de las siguientes hemos visto o usado en las últimas veinticuatro horas?

Cada uno tiene componentes importantes que han sido fabricados con materiales electrónicos. Horno de microondas, balanza electrónica, videojuegos, radio, televisión, VCR, reloj, reproductor de CD, estéreo, computadora, luces, aire acondicionado, calculadora, teléfono, tarjetas de felicitación musicales, equipo de diagnóstico, reloj, refrigerador, coche, dispositivos de seguridad, estufas...

Los semiconductores han tenido un impacto monumental en nuestra sociedad. Encontramos los semiconductores en el corazón de los microprocesadores y los transistores. Todo lo que está informatizado o usa ondas de radio depende de los semiconductores. Hoy en día, la mayoría de los chips y transistores semiconductores se crean con silicio. Es posible que haya escuchado expresiones como "Silicon Valley" y la "economía de silicio", y es por eso que el silicio es el corazón de cualquier dispositivo electrónico.

 

 

Dispositivos electrónicos:

Hay muchos dispositivos electrónicos que funcionan utilizando combinaciones de uniones p-n, como diodos, células solares y transistores. En esta sección se dará una breve explicación de cada uno de estos dispositivos básicos.

El diodo es una aplicación de unión p-n que actúa como un rectificador para convertir corriente alterna en corriente continua. Esto se debe a la capacidad de un diodo para permitir el flujo de corriente en una dirección, pero no en la otra.

Las células solares son dispositivos de unión p-n que usan la luz solar para crear energía eléctrica. Es la energía de los fotones del sol lo que hace que los electrones se promuevan en las bandas de conducción y transporten la corriente. Sin embargo, la corriente derivada de la célula solar es pequeña. Se necesitan muchas células solares para producir suficiente corriente para hacer un trabajo a gran escala. Si se pudiera aumentar la producción de energía de las células solares, la energía solar podría usarse para más aplicaciones individuales aisladas.

Los transistores son otra aplicación de la unión p-n. Los transistores, a diferencia de los diodos, contienen más de una unión p-n. Debido a esto, se puede usar un transistor en un circuito para amplificar una pequeña tensión o corriente en una más grande o una función como un interruptor de encendido y apagado. Los transistores son de dos tipos principales: transistores de unión bipolar (BJT) y transistores de efecto de campo (FET). Aproximadamente el 95% de todos los sistemas electrónicos utilizan uno o ambos de estos tipos de dispositivos.

Los BJT se componen de tres capas de materiales dopados, ya sea n-p-n o p-n-p en la configuración. El BJT actúa como un golpe o dique en una corriente abierta para controlar la cantidad de corriente que pasa; por lo tanto, a medida que se baja la protuberancia, puede fluir más corriente. En el BJT, la altura del bache está controlada por la corriente de base en el semiconductor. El BJT fue inventado en 1948 por John Bardeen, Walter Brittain y William Shockley usando germanio. Los BJT siguieron siendo los únicos tres importantes dispositivos semiconductores terminales durante aproximadamente una docena de años después de su invención, y ayudaron a lanzar la era moderna de la electrónica.

Desde principios de la década de 1960, el FET ha sido considerado uno de los dispositivos más importantes en la tecnología de estado sólido. En la actualidad, muchas de las aplicaciones de los BJT han sido asumidas por los FET semiconductores de óxido de metal (MOSFET). Los MOSFET fueron teorizados durante muchos años antes de que pudieran ser fabricados. La razón por la que no se pudieron hacer MOSFET fue que los científicos aún no habían desarrollado técnicas para producir dióxido de silicio de alta calidad (SiO2) en el silicio. El FET funciona más como una puerta para controlar el flujo de corriente (como una válvula en un grifo). Los FET son relativamente simples de fabricar en comparación con los BJT, y han demostrado ser conmutadores extremadamente rápidos y confiables en componentes de circuitos miniaturizados con mucho menos consumo de energía que los BJT. La mayoría de los microprocesadores modernos se basan en dispositivos FET, desde chips pentium en PC hasta super CPU en la CPU. Los transistores, diodos y otros dispositivos electrónicos se combinan en muchos patrones diferentes para formar los circuitos integrados actuales.

El circuito integrado (IC) ha sido el caballo de batalla de la "era de la microelectrónica" que comenzó a fines de la década de 1950. Estos chips, usualmente hechos de silicio, consisten en combinaciones de cuatro regiones eléctricas fundamentales. Estas regiones contienen resistencias, condensadores, diodos y transistores. Desde 1971, la integración a gran escala (VLSI) ha permitido fabricar millones de dichas regiones en un chip de solo un centímetro cuadrado. Estos elementos del circuito no solo se vuelven más pequeños, también se vuelven más rápidos. Por ejemplo, la típica computadora de sobremesa basada en pentium de hoy en día puede realizar decenas de millones de operaciones por segundo, mientras que las súper computadoras contemporáneas tienen una clasificación en gigaflops (miles de millones de operaciones por segundo). Las máquinas Teraflop (billones de operaciones por segundo) estarán listas para su producción para el año 2000.

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