Cómo Funciona: El Semiconductor
INTRODUCCIÓN
El desarrollo alcanzado a mediados del Siglo XX en la Física Cuántica, junto con avances en
-Sistemas con Electrónica Analógica y Digital,
-Microscopía Electrónica, y
-Ciencia e Ingeniería de Materiales,
hicieron posible que a partir de la invención del transistor (1947), se produjera una explosión tecnológica nunca antes vista en nuestra Civilización.
Aplicaciones en áreas como Energía Nuclear, Medicina e "Imagenología", Biología y Genética, Telefonía y Computación portátiles, Comunicaciones y Astronáutica, Física de Partículas y Astrofísica, Astronomía y Radioastronomía, potenciaron una serie de invenciones y desarrollos en tres áreas básicas de nuestra tecnología:
-Electrónica (componentes) de "Estado Sólido",
-Informática (Sistemas) y Computación (Aparatos y Accesorios), y
-Miniaturización (Técnicas e Instrumentos),
que siguen potenciándose una a otra, produciendo dispositivos, aparatos y sistemas cada vez más complejos y asombrosos.
Los materiales que hicieron posible esta revolución tecnológica, son los conocidos como "Semiconductores", materiales esencialmente de dos clases: tipo-n y tipo-p, que con diferentes configuraciones, dan origen a muchísimos dispositivos electrónicos, livianos, de bajo consumo, ultra pequeños, sin partes mecánicas, que no requieren mantención, extremadamente rápidos, fiables, económicos y además, capaces de realizar funciones nuevas, que no eran posibles con la tecnología electrónica anterior, basada en los "tubos electrónicos de vacío" (o "válvulas electrónicas"). No cabe duda que los semiconductores son uno de los materiales que caracterizan a una civilización avanzada.
En este artículo se describen los semiconductores tipo-n y tipo-p, para poder describir después (en otros artículos), algunos dispositivos de estado sólido como , diodos, transistores bipolares, tiristores, triacs, celdas solares, FETs, LEDs, diodos laser y fototransistores (ver Fig. 1).
Fig. 1: Algunos componentes electrónicos de estado sólido. De izquierda a derecha:
Fila superior: Seis indicadores luminosos VLEDs (diodos emisores de luz visible);
Fila central: a la izquierda se ven dos circuitos integrados (IC) de 3 terminales, sensores de campo magnético por efecto Hall. En el centro un diodo rectificador (negro) y un diodo zener. A la derecha un amplificador operacional encapsulado en un "chip" o circuito integrado (IC);
Fila inferior: a la izquierda un elemento de conmutación AC (triac). En el centro un elemento de disparo (diac) y un IC temporizador (555). A la derecha un IC regulador de voltaje programable, positivo, de tres terminales.
1-QUÉ ES
Primero hay que decir que un semiconductor no es un material que "esté entre los aislantes y los conductores". Si bien es cierto que el valor de la conductividad eléctrica de un dado semiconductor está entre el valor de la conductividad de un aislante y de un conductor, no se puede decir que sea un "material intermedio". Se pueden tener conductividades intermedias por ejemplo, mojando una madera con agua salada. Pero eso no es un semiconductor.
Un aislante (como el vidrio Pyrex o el plástico PVC) no permite el paso de corriente eléctrica, mientras que un conductor (como el aluminio o el cobre) permite el flujo de cargas eléctricas con facilidad. Un semiconductor también permite el flujo de corriente eléctrica, pero el mecanismo y las características de conducción son muy diferentes;
Un semiconductor es otro tipo de material que permite otra forma de conducción eléctrica.
En un metal, la conducción se puede entender con un modelo clásico (como la Teoría de Drude), donde los electrones de la corriente eléctrica tienen colisiones con los iones fijos a la red del sólido metálico. Mientras que la conducción en un semiconductor es un fenómeno menos intuitivo, solo comprensible usando conceptos cuánticos, como
Spin, Principio de Exclusión de Pauli, Niveles discretos de energía, Nivel de Fermi, Función de distribución de Fermi-Dirac, y Banda de energía prohibida o "gap".
En un conductor, los átomos se encuentran unidos mediante "enlaces metálicos", donde hay portadores de carga que pueden moverse en todo el material (electrones libres no localizados, aportados por las bandas de valencia de los átomos individuales). En un conductor, las impurezas y defectos microestructurales perjudican la conducción eléctrica, aumentan la resistividad del material. Mientras que en un semiconductor los portadores de carga provienen de las impurezas, artificialmente agregadas en forma controlada.
Los portadores de carga en los metales son negativos, mientras que los semiconductores tienen dos tipos. Tienen portadores negativos, que son electrones no enlazados (con movilidad diferente a la de los electrones libres en un metal), y también hay enlaces sin realizarse (denominados agujeros, hoyos, huecos o holes en inglés), que actúan como portadores de carga positivos. Un material semiconductor donde la mayoría de los portadores de carga son negativos, se llama tipo "n", y si la mayoría de los portadores de carga son positivos, se llama semiconductor tipo-p.
Entonces, puede decirse que un semiconductor es un material formado a partir de un material puro que intrínsecamente no tiene portadores de carga libres, "dopado" con cierta cantidad de cierto tipo de impurezas, que lo convierten en un material capaz de conducir corriente eléctrica en forma similar a los metales en cuanto a:
(1) la mayoría de los portadores de carga son negativos (si el semiconductor es tipo-n),
(2) conducen sin descomponerse químicamente,
(3) la corriente fluye con cierta facilidad (aunque con más resistencia que los metales), pero que por otro lado, tiene otras características que no tiene la conducción en metales:
(4) tienen portadores de carga positivos (que son mayoritarios si el semiconductor es tipo-p),
(5) su resistencia eléctrica disminuye con la iluminación (mientras que en un metal, la luz no cambia la conductividad),
(6) a mayor temperatura su resistencia eléctrica disminuye (al revés que los metales).
2-PARA QUÉ SIRVE
Los semiconductores tipo-n y tipo-p sirven para construir dispositivos electrónicos, aprovechando propiedades que tienen las diferentes formas de unión y de proximidad entre n y p. Según la función específica, los dispositivos semiconductores pueden clasificarse como sigue:
1) Rectificadores, Amplificadores y Conmutadores (como los diodos, transistores bipolares y FETs, tiristores y triacs)
2) Fotovoltaicos (como las celdas solares)
3) Fotoresistivos (como los fotodiodos)
4) Termosensibles (como los termómetros y los pigmentos termocrómicos)
5) Magnetosensibles (como los elementos Hall para sondas de campo magnético)
6) Emisores de Luz (como los LEDs y los diodos laser)
7) Termoeléctricos (como los módulos Peltier).
Los semiconductores pueden ser diseñados para emitir o absorber radiación electromagnética ultravioleta (UV), visible (VIS) e infrarroja (IR), en dispositivos muy compactos, resistentes y estables.
Se podría decir que en la segunda mitad del Siglo XX la Humanidad comenzó "La Edad del Semiconductor". Casi todos los aparatos tienen semiconductores. Los relojes, calculadoras, radios, amplificadores, teléfonos, dimmers de iluminación, computadores, pendrives, circuitos para automóviles, aviones, tostadores, lavadoras, calderas, detectores de humo, sensores de movimiento y alarmas, etc. Se usan en paneles solares, en sensores de luz visible e infrarojo (en controles remoto y detectores de movimiento), termómetros criogénicos (investigación e industria), termómetros ópticos (pirómetros en medicina e industria), punteros laser, indicadores luminosos, LEDs (linternas, automóviles y semáforos), módulos termoeléctricos (refrigeradores y calentadores), etc. etc. etc. !!!
3-DE QUÉ ESTÁ HECHO
Los primeros semiconductores se fabricaron con cristales de alta pureza de germanio y de silicio con impurezas de los elementos vecinos en la Tabla Periódica. El germanio y el silicio son elementos químicos de la columna 14 en la Tabla Periódica, "Grupo IV-A": C (carbono), Si (silicio), Ge (germanio), Sn (estaño), Pb (plomo).
Las impurezas para "dopar" al Ge o al Si convirtiéndolo en un semiconductor tipo-n son átomos de elementos del Grupo V-A, como fósforo (P), arsénico (As) y antimonio (Sb).
Por otro lado, para convertirlos en un semiconductor tipo-p, se dopan con impurezas de elementos del Grupo III-A como boro (B), aluminio (Al), galio (Ga) o indio (In).
Dentro de los semiconductores basados en elementos del Grupo IV-A, como el Ge y el Si, también hay compuestos, como el silicio-carbono (SiC).
A pesar que los primeros semiconductores desarrollados se basaron en el Ge, "La Edad del Semiconductor" ha estado dominada (casi hasta el presente) por el Si (principalmente por tener mejores propiedades eléctricas y térmicas). Pero las necesidades de diferentes propiedades en cuanto a emisión y absorción de luz (UV, VIS e IR), impulsaron el desarrollo de nuevos compuestos. El más difundido entre los dispositivos es el arseniuro de galio (GaAs), un compuesto entre elementos del Grupo III-A (Ga) y el Grupo V-A (As).
La familia de compuestos III-V es muy grande. Entre los más importantes, además del GaAs, están el nitruro de galio (GaN), fosfuro de galio (GaP), fosfuro de indio (InP), arseniuro de galio y aluminio (AlGaAs), arseniuro y fosfuro de galio (GaAsP) y antimoniuro de indio (InSb).
Las impurezas para dopar a los compuestos III-V convirtiéndolos en tipo-n son átomos de elementos del Grupo VI-A, como azufre (S), selenio (Se) y telurio (Te), y para convertirlos en un semiconductor tipo-p, se dopan con impurezas de elementos del Grupo II-B, como zinc (Zn) y cadmio (Cd).
También existen compuestos semiconductores de los grupos II-VI, como el sulfuro de cadmio (CdS) utilizado en fotoresistencias, y de los grupos V-VI como el bismuto-telurio (Bi2Te3), que fuertemente dopados tienen propiedades útiles en la construcción de módulos termoeléctricos.
4-CÓMO FUNCIONA
En un sólido, los átomos tienden a estar enlazados formando configuraciones estables de menor energía. Los enlaces tienden en general, a compartir (de un modo complejo) los electrones de valencia (los que intervienen en las reacciones químicas), para que cada átomo complete 8 electrones en esa última capa electrónica. El tipo de enlace (iónico, metálico, covalente o secundario) entre átomos y moléculas, y su intensidad dependen de muchos factores. Hay una competencia simultánea entre fuerzas de largo alcance y de atracción coulombiana (eléctrica) de capas electrónicas (negativas) con los núcleos atómicos vecinos (positivos), y fuerzas de corto alcance de repulsión.
La separación entre átomos está determinada por el equilibrio alcanzado entre las fuerzas atractivas y las repulsivas, a través de los enlaces. La configuración final que adoptan los átomos al formar un sólido bajo ciertas condiciones externas (de presión, gravedad, temperatura, humedad, atmósfera, iluminación, vibraciones, etc.) es la disposición que requiera mínima energía para formarse y mantenerse.
En particular, el Ge y el Si son elementos químicos del Grupo IV-A, que necesitan 4 electrones en su última capa de electrones de valencia para completar el máximo de 8, que les daría estabilidad química. Pero como a su vez tienen 4 electrones en esa capa, tienen tendencia a formar enlaces covalentes con 4 átomos vecinos, con los que comparten electrones. Esto significa que esos electrones compartidos estarán más fuertemente ligados, por lo que no se moverán fácilmente dentro del material.
Entonces, los átomos de C, Ge y Si bajo ciertas condiciones, forman sólidos a través de enlaces covalentes, donde los electrones se comportan como si cada átomo tuviese los 8 electrones que completan la capa de valencia: 4 propios y 4 de los 4 átomos vecinos. De este modo: (1) no hay electrones disponibles para la conducción eléctrica (porque están ligados en enlaces covalentes), y además, (2) no hay lugares para nuevos enlaces (o sea, no quedan enlaces sin realizarse).
Esto significa que si tenemos una barrita de Ge puro a 0 kelvin y le ponemos en sus extremos cables conectados a una batería, en el interior del Ge habrá un campo eléctrico debido a la proximidad de los extremos colocados a diferente potencial eléctrico. Pero este campo eléctrico no será suficiente para acelerar los electrones de valencia del Ge, porque en general se requiere mucha más energía para desligarlos de los enlaces covalentes. En otras palabras: no hay ni enlaces ni electrones libres para la conducción eléctrica.
Entonces, los cristales de Ge y de Si perfectos y puros (i.e., sin defectos y sin estar "dopados" con impurezas), y a una temperatura de 0 K, no son semiconductores sino aislantes. Se denominan "semiconductores intrínsecos". Estos materiales no permiten el flujo de electricidad, y por lo tanto hace falta hacerles algo más para poder fabricar con ellos, dispositivos que puedan conducir corriente eléctrica.
De todos modos, en la práctica el cristal tiene imperfecciones, impurezas y se encuentra a una temperatura bastante mayor como la ambiente (unos 300 K ó más). La energía térmica hace que se rompan algunos enlaces en el cristal semiconductor, es decir, que haya electrones deslocalizados, libres, y por lo tanto que también haya agujeros o enlaces sin realizarse. En los semiconductores intrínsecos (puros) la concentración de electrones libres es igual a la de agujeros. Esta concentración se denomina "concentración intrínseca" ni y aumenta con la temperatura.
A T > 0 K se están generando y "recombinando" pares electrón-agujero permanentemente. El mecanismo más importante por el que se recombinan se realiza a través de los "centros de recombinación", los cuales introducen estados de energía posibles o permitidos, dentro del rango del gap del material. Estos nuevos estados están asociados a las imperfecciones del cristal como impurezas metálicas.
En un semiconductor intrínseco el número de agujeros es igual al de electrones libres. Sin embargo, debido a la agitación térmica, se están generando continuamente nuevos pares, mientras que otros desaparecen por recombinación. Los tiempos de vida media tn y tp de los electrones libres y de los agujeros, varían entre nano y microsegundos. Estos son parámetros fundamentales en los dispositivos, porque representan el tiempo que debe transcurrir para que las concentraciones de agujeros y de electrones libres vuelvan al equilibrio después de haber sido afectadas por corrientes y voltajes. Los fabricantes de dispositivos semiconductores emplean frecuentemente oro como agente de recombinación, para conseguir el tiempo de vida medio deseado.
Un conductor (como el cobre) tiene enlaces metálicos donde hay electrones libres no localizados, que pueden moverse a lo largo y ancho de todo el material. Un semiconductor intrínseco, aunque no tenga ni electrones libres ni enlaces libres, si se le han agregado cierto tipo de impurezas, posee portadores de carga, es decir, se vuelve "semiconductor extrínseco" (tipo-n o tipo-p).
Un semiconductor tipo-n del Grupo IV-A se obtiene dopando al material intrínseco con elementos del Grupo V-A (como P, As, Sb). Este nuevo material posee uno de los 5 electrones de los átomos de las impurezas, sin ligar a ningún átomo (ya que las últimas capas de los vecinos están completas con 8 electrones).
Lo importante es que la energía que le cuesta a esos electrones ligados a un solo átomo, para alcanzar la banda de conducción, es muy pequeña, y por lo tanto, pueden acelerarse con un potencial eléctrico exterior y dejar el átomo al que pertenecen. Luego, a otro electrón próximo, le cuesta menos energía ocupar el nivel del anterior, aunque esté ligado. Y así sucesivamente se van moviendo y formando una corriente eléctrica.
Por el contrario, un semiconductor tipo-p del Grupo IV-A se obtiene dopando al material intrínseco con elementos del Grupo III-A (como B, Al, Ga, In). Debido a que los átomos de estas impurezas aportan un electrón menos, queda alguna capa con 7 electrones de valencia, en vez de 8, o sea, con afinidad para captar un electrón. Esto es como un "enlace sin realizar" o un "agujero".
Entonces, cuando este material se somete a una diferencia de potencial eléctrico, a los electrones cercanos les cuesta menos energía dejar su enlace y pasar a uno similar ocupando ese agujero. Pero al hacerlo, las cargas negativas que se mueven, dejan un nuevo agujero detrás. De este modo, el electrón de valencia que se movió dejó detrás suyo otro agujero, que será ocupado por otro electrón, y así sucesivamente. Macroscópicamente, el efecto neto es el de un agujero moviéndose en contra de la corriente electrónica, como si fuese un portador de carga positivo.
Lo más sorprendente es que cuando se hace el experimento (mediante el Efecto Hall), se comprueba que los portadores de carga en un semiconductor tipo-p son -sin ninguna duda- positivos !! (aunque el cable metálico que transporta la corriente, conectado a uno y a otro extremo del semiconductor, transporte cargas negativas). Así es que a los agujeros se los trata como a cargas positivas, con una masa y movilidad efectivas, como si fuesen reales.
El comportamiento de un semiconductor se puede ver desde un punto de vista más cuantitativo. En átomos aislados, la Física Cuántica predice que las capas electrónicas alrededor de los núcleos atómicos se encontrarán separadas del núcleo atómico por ciertas distancias, asociadas a valores de energía. Cuando se consideran átomos de Si o de Ge en un sólido (en vez de átomos aislados), la teoría muestra que los valores discretos de energía se "comprimen" tanto que forman "bandas" continuas de valores de energía que los electrones pueden tener, separadas por otras bandas de valores no permitidos de energía, es decir, que los electrones no pueden tener.
Las últimas 3 bandas de energía para los electrones en los sólidos, son:
la banda de menor energía, banda de valencia, llena con los electrones de la última capa de cada átomo; luego en el medio se tiene el "gap" o banda de energía prohibida (EG) con valores de energía que no pueden tener los electrones en ese material, y la última banda de mayor energía, está vacía y se denomina banda de conducción.
Un electrón de la banda de valencia que se acelere y forme parte de una corriente eléctrica dentro del material, tendrá un valor de energía correspondiente a esta banda de conducción. Por el contrario, si la energía disponible para acelerar al electrón de mayor energía dentro de la banda de valencia, no alcanza para superar el valor EG del ancho del gap para estar en los valores de conducción, entonces ningún electrón de la banda de valencia podrá acelerarse.
Una unidad de energía cómoda para expresar el valor EG del ancho del gap, es el electronvolt (eV). El gap es una de las propiedades más importantes para caracterizar los materiales desde el punto de vista de la conducción eléctrica y de las propiedades ópticas.
Un conductor no tiene gap (EG = 0 eV). Por eso un pequeño potencial eléctrico acelera electrones de la banda de valencia llevándolos a la de conducción, y se produce la corriente eléctrica en un metal.
Un semiconductor tiene EG < 2 eV, y dentro de esta banda de energía prohibida, están los niveles de energía permitidos de las impurezas que dopan al material. Esto es una banda muy delgada de energía prohibida, y es por eso que la conducción en los semiconductores es sensible no solo al potencial eléctrico, sino también a la temperatura y a la iluminación (es decir, a la energía de los fotones incidentes sobre el semiconductor).
Por el contrario, un aislante tiene un gap mucho más difícil de superar, típicamente EG > 3 eV.
Las impurezas proveen niveles de energía discretos permitidos, que están dentro de la banda continua de valores no permitidos.
En los semiconductores tipo-n, los electrones disponibles para la conducción tienen una energía dentro del gap, muy cercana a la banda de conducción. A esos niveles de energía ocupados que fueron provistos por las impurezas, se los llama "donadores".
Por el contrario, en los semiconductores tipo-p, las impurezas proveen un nivel permitido desocupado, dentro del gap pero de menor energía que los donadores, más cercano a la banda de valencia. Estos niveles se llaman "aceptadores", y a ellos "saltan" los electrones de la banda de valencia cuando son acelerados por un campo eléctrico exterior.
En el tipo-n hay una concentración ND de átomos de impurezas donadoras (donors en inglés), que es aproximadamente igual a la concentración nn de electrones libres en el material tipo-n.
Del mismo modo, en el tipo-p hay una concentración NA de átomos de impurezas aceptadoras (acceptors), que es aproximadamente igual a la concentración pp de agujeros en el material tipo-p.
EQUIVALENCIAS
0 K = -273.15 °C (Mínima temperatura existente, "Cero absoluto", 0 kelvin y su equivalencia en grados celsius)
e = 1.602 x 10-19 C (valor aproximado de la constante universal "carga elemental")
1 J = 1 C x 1 V (joule equivale a coulomb x volt)
1 eV = 1.602 x 10-19 J (Un electronvolt es equivalente a la energía potencial eléctrica que adquiere una carga elemental en una diferencia de potencial de 1 volt)
Nombre: Luiggi D. Escalante Sarmiento
CI. 18.878.611
Materia: EES
Fuente: José Luis Giordano http://www.profisica.cl/comofuncionan/como.php?id=41
