Historia, funcionamiento y aplicaciones de los semiconductores PDF

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Semiconductores, como funcionan, historia, fabricacion y aplicaciones mas usadas en el mundo de la electronica...

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Tema SEMICONDUCTORES Asignatura INTRODUCCION A LA ELECTRONICA Nombre Alex Tapia Curso S1NA Profesor HENRRY MOLLER

Los semiconductores

Los semiconductores son materiales que se comportan como conductores o como aislantes según condiciones específicas, estos materiales son usados ampliamente en el mundo de la electrónica, siendo uno de sus principales usos los diodos y los transistores, este ultimo es la base fundamental de las tecnologías modernas ya que todo chip, procesador, microcontrolador, etc. Lleva transistores en su composición, todos hemos tenido una computadora en nuestras casas, sin el uso de los semiconductores la funcionalidad de estas máquinas no sería posible. Los semiconductores son materiales con características muy útiles. “Junto con los aislantes, los semiconductores fueron descubiertos en 1727 por el físico Ingles Stephen Gray’ (Editorial Etecé, 2021) No obstante, el comportamiento y sus propiedades fueron descritas por Georg Simón Ohm en 1821. La utilización de forma técnica de los semiconductores se empleó a finales del siglo XX en los radiorreceptores de la época. Uno de los inventos más grandes del siglo XX fue el transistor que no es más que dos diodos juntos, que no son mas que dos materiales semiconductores juntos, estos elementos han hecho de la electrónica base fundamentas para todos los aparatos electrónicos de nuestra época. En 1947 William Shockley, investigador también de los Laboratorios Bell y Walter Houser Brattain, junto a John Bardeen, desarrollaron el primer dispositivo semiconductor de germanio (Ge), al que denominaron “transistor”. (Álvarez, 2012)

Estos materiales semiconductores también son ampliamente utilizados en la fabricación de celdas fotovoltaicas ya que en 1940 Russell Ohl descubrió que, si a ciertos cristales se les agregaba impurezas, estos cuando la se exponían a la luz su conductividad eléctrica variaba. Funcionamiento de los semiconductores. Los semiconductores están en medio del comportamiento de un aislante y de un conductor, esto se puede evidenciar al estudiar el sistema de bandas de valencia y de conducción. El los materiales aislantes la banda de valencia esta muy alejada de la banda de conducción, lo que provoca que los electrones no puedan saltar de un lado al otro. A diferencia de los materiales conductores en donde la banda de valencia y la banda de conducción están prácticamente juntas haciendo que los electrones puedan circular con libertad. Los materiales semiconductores están a la mitad de estos dos, tendiendo las bandas de valencia y la banda de conducción a una distancia, que, cuando se aplica o cumple con ciertas características los electrones puedes saltar de la banda de valencia a la banda de conducción, haciendo de estos materiales conductores de electricidad, pero no muy buenos.

(I, 2001) Los metales son buenos conductores de la electricidad, y el silicio parece un metal, pero no lo es, mas bien es un metaloide, los metales normalmente tienen electrones libres lo que hace

que pueda haber movimiento, al contrario del silicio que crea un enlace covalente perfecto en donde los electrones no se pueden mover, esto quiere decir que el silicio en su estado puro es básicamente un aislante. Estos materiales semiconductores podrán conducir corriente a través de el al estar a temperatura ambiente pero cuando las temperaturas son muy cercanas al cero absoluto el material se comportarán como un aislante. Para que el silicio y otros materiales semiconductores funcionen como tal, tiene que entrar en un proceso de dopaje en donde se añaden impurezas para que cumplan con las características propias del material semiconductor, de este proceso se derivan dos tipos de material semiconductor, tipo “P” y Tipo “N”. Tipos de semiconductores Los semiconductores se dividen en intrínsecos y extrínsecos. Semiconductores intrínsecos Se dice que un semiconductor es intrínseco cuando este se encuentra en estado puro, estos materiales solo funcionan como conductores cuando se eleva la temperatura, es ahí cuando se rompen los enlaces covalentes y los electrones de la banda de valencia pueden saltar a la banda de conducción siempre y cuando se aplique una corriente.

(Álvarez, 2012)

Semiconductores extrínsecos Los semiconductores extrínsecos son aquellos que se añade de manera controlada, impurezas, esto provoca que el material solo permita el paso de la corriente en una dirección. Este proceso es conocido como dopaje donde se producen 2 tipos de semiconductores de esta clase, el tipo “P” y el Tipo “N”. El semiconductor tipo N es cuando se añade un átomo de fosforo a la estructura de silicio y existe un electrón libre que puede circular cuando se aplica el paso de la corriente. El semiconductor tipo P es cuando se añade un átomo de boro a la estructura de silicio dejando un hueco que puede ser llenado cuando se aplica una corriente. Aplicación A partir de la década de 1950 la utilización de estos materiales se consolido ya que había una reducción en su tamaño y consumo de energía en relación a los tubos electrónicos. El elemento electrónico más básico que se puede observar a día de hoy de este material son los diodos que es la unión de un material tipo “P” con un material tipo “N”

Como podemos ver en la figura anterior existen dos tipos de polarización la cual influye en el comportamiento del diodo. Cuando aplicamos una corriente en polarización directa, es decir el polo positivo de la batería o fuente de alimentación deberá ir conectado al lado P del diodo mientras que el negativo al lado N, de esta manera se comporta como un conductor ya que permite el paso de la corriente a través de él. En cambio, cuando el diodo es sometido a polarización inversa el diodo se comporta como aislante ya que sus electrones son atraídos por el lado positivo de la fuente de alimentación. Basado en lo antes explicado los diodos tienen su aplicación más evidente en la rectificación de corriente alterna a continua. Otra de las aplicaciones mas conocidas es la de los diodos emisor de luz o LED, que son ampliamente utilizados en la actualidad para la fabricación de pantallas de relojes digitales, calculadoras, tv, monitores, iluminación de espacios, etc. No podemos olvidarnos del invento y descubrimiento más importante relacionado a los semiconductores como lo es el transistor que se consigue uniendo tres materiales semiconductores en configuración NPN o PNP que resulta en un transistor de unión bipolar, esta unión resulta en un emisor, una base y un colector. Los transistores son la base de la electrónica moderna, gracias a estos elementos se puede obtener, procesadores, microcontroladores, conmutadores entre una innumerable cantidad de aplicaciones. Formas de fabricación

El primer paso para la fabricación de elementos semiconductores es escoger el material y el nivel de impureza que este tenga, lo que hoy en día se requiere para la fabricación son materiales con impurezas de 1/1 x 108. La materia prima se procesa con una serie de reacciones químicas que forman un cristal policristalino con los átomos acomodados de forma simétrica. El método de Czochraiski Este método es utilizado para la fabricación de silicio monocristalino, se obtiene a partir de un cristal de silicio semilla en un baño de silicio, se obtiene un cilindro de donde se cortarán obleas de alrededor de 400 μm a 600 μm de espesor, estas obleas son utilizadas para los transistores y circuitos integrados. El método consiste en tener un crisol con el semiconductor fundido, aquí se coloca la semilla monocristalina del mismo material, este va girando y el semiconductor va formando un cilindro.

Una ves que se obtiene las obleas estas entran en un proceso de pulido ya que cualquier imperfección en la superficie puede causar problemas en el siguiente paso.

Para el siguiente paso se utiliza un método llamado fotolitografía, que graba las pistas de los transistores en la oblea antes preparada, y esto se realiza unas 40 veces por oblea para conseguir un chip. Una vez grabadas, las pistas son rellenadas con cobre para realizar las conexiones para el propósito que se este creando este elemento semiconductor. La fabricación de estos semiconductores ha ido evolucionando y con cada año que pasa los transistores son cada vez más pequeños, en la década de los 70 los transistores rondaban los diez mil nanómetros, en la actualidad rondan los cinco nanómetros, con esto los chips son cada vez mas poderosos y pueden realizar trabajos más complejos.

Bibliografía Álvarez, J. A. (2012). Asi funciona. Obtenido de http://www.asifunciona.com/fisica/ke_semiconductor/ke_semiconductor_3.htm Editorial Etecé. (15 de 7 de 2021). Concepto. Obtenido de https://concepto.de/semiconductores/ I, J. P. (12 de 2001). Pontificia Universidad Católica de Chile. Obtenido de http://www4.ujaen.es/~egimenez/FUNDAMENTOSFISICOS/semiconductores.pdf Perez Paris, A. (2002). Vivat Academia de Comunicacion. Obtenido de De la tecnologia de fabricacion de transistores y circuitos integrados: https://doi.org/10.15178/va.2002.39.1-30

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL DE ARGENTINA. (s.f.). EDUTECNE. Obtenido de http://www.edutecne.utn.edu.ar/microelectronica/03FABRICACION%20DE%20TRANSISTORES%20BIPOLARES.pdf Wikipedia. (2019). Obtenido de https://es.wikipedia.org/wiki/Fabricaci%C3%B3n_de_circuitos_integrados#Encapsula do...