Materiales Semiconductores PDF

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propiedades, caracteristicas y ejemplos materiales semiconductores...

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Semiconductores Los semiconductores son elementos que desempeñan la función de conductores o aislantes selectivamente, en función de las condiciones externas a las cuales están sometidos, como temperatura, presión, radiación y campos magnéticos o eléctricos. En la tabla periódica están presentes 14 elementos semiconductores, entre los cuales destacan silicio, germanio, selenio, cadmio, aluminio, galio, boro, indio y carbono. Los semiconductores son sólidos cristalinos con una conductividad eléctrica media, por lo que pueden emplearse de manera dual como un conductor y un aislador. Si se emplean como conductores, bajo condiciones determinadas condiciones permiten la circulación de la corriente eléctrica, pero solo en un sentido. Además, no tienen una conductividad tan alta como la de los metales conductores. Los semiconductores se usan en aplicaciones electrónicas, en especial para la fabricación de componentes como transistores, diodos y circuitos integrados. También son usados como accesorios o complementos de sensores ópticos, como láseres de estado sólido, y algunos dispositivos de potencia para sistemas de transmisión de energía eléctrica. En la actualidad, este tipo de elementos está siendo empleado para desarrollos tecnológicos en el ámbitos de las telecomunicaciones, sistemas de control y procesamiento de señales, tanto en aplicaciones domésticas como industriales. Tipos Existen diferentes tipo de materiales semiconductores, dependiendo de las impurezas que estos presenten y de su respuesta física ante diferentes estímulos del entorno. Semiconductores intrínsecos Son aquellos elementos cuya estructura molecular está conformada por un solo tipo de átomo. Entre este tipo de semiconductores intrínsecos se encuentra el silico y el germanio. La estructura molecular de los semiconductores intrínsecos es tetraédrica; es decir, tiene enlaces covalentes entre cuatro átomos circundantes, tal como se presenta en la imagen a continuación. Cada átomo de un semiconductor intrínseco tiene 4 electrones de valencia; es decir, 4 electrones orbitando en la capa más externa de cada átomo. A su vez, cada uno de estos electrones forma enlaces con los electrones adyacentes. De esta forma, cada átomo cuenta con 8 electrones en su capa más superficial, con lo cual se forma una sólida unión entre los electrones y los átomos que conforman la red cristalina. Debido a esta configuración, los electrones no se desplazan fácilmente dentro de la estructura. Así, en condiciones estándares, los semiconductores intrínsecos se comportan como un aislante. No obstante, la conductividad del semiconductor intrínseco sube siempre que aumente la temperatura, ya que algunos electrones de valencia absorben energía calorífica y se separan de los enlaces. Estos electrones se convierten en electrones libres y, si son direccionados adecuadamente mediante una diferencia de potencial eléctrico, pueden contribuir a la circulación de corriente dentro de la red cristalina. En este caso, los electrones libres saltan a la banda de conducción y se dirigen al polo positivo de la fuente de potencial (una pila, por ejemplo).

El movimiento de los electrones de valencia induce un vacío en la estructura molecular, lo cual se traduce en un efecto similar al que produciría una carga positiva en el sistema, por lo que se consideran como portadores de carga positiva. Entonces, se produce un efecto inverso, ya que algunos electrones pueden caer desde la banda de conducción hasta la capa de valencia liberando energía en el proceso, lo cual recibe el nombre de recombinación. Semiconductores extrínsecos Se conforman al incluir impurezas dentro de los conductores intrínsecos; es decir, mediante la incorporación de elementos trivalentes o pentavalentes. Este proceso se conoce como dopaje y tiene como finalidad aumentar la conductividad de los materiales, para mejorar las propiedades físicas y eléctricas de estos. Al sustituir un átomo de semiconductor intrínseco por un átomo de otro componente se pueden obtener dos tipos de semiconductores extrínsecos, los cuales se detallan a continuación. Semiconductor tipo P En este caso, la impureza es un elemento semiconductor trivalente; es decir, con tres (3) electrones en su capa de valencia. Los elementos intrusos dentro de la estructura reciben el nombre de elementos dopantes. Ejemplos de estos elementos para los semiconductores tipo P son el boro (B), el galio (Ga) o el indio (In). Al carecer de un electrón de valencia para formar los cuatro enlaces covalentes de un semiconductor intrínseco, el semiconductor tipo P tiene un vacío en el enlace faltante. Lo anterior hace propicio el paso de electrones que no pertenecen a la red cristalina a través de ese hueco portador de carga positiva. Debido a la carga positiva del hueco del enlace, este tipo de conductores se denomina con la letra “P” y, en consecuencia, se reconocen como aceptadores de electrones. El flujo de electrones por los huecos del enlace produce una corriente eléctrica que circula en sentido contrario a la corriente derivada de los electrones libres. Semiconductor tipo N El elemento intruso en la configuración viene dado por elementos pentavalentes; es decir, aquellos que cuentan con cinco (5) electrones en la banda de valencia. En este caso, las impurezas que son incorporadas al semiconductor intrínseco son elementos como el fósforo (P), el antimonio (Sb) o el arsénico (As). Los dopantes tienen un electrón de valencia adicional que, al no tener un enlace covalente al cual unirse, queda libre automáticamente para desplazarse a través de la red cristalina. Aquí, la corriente eléctrica circula a través del material gracias al excedente de electrones libres proporcionado por el dopante. Por ende, los semiconductores tipo N son considerados donadores de electrones.

Características

Los semiconductores se caracterizan por su doble funcionalidad, eficiencia energética, diversidad de aplicaciones y bajo costo. Las características más destacadas de los semiconductores se detallan a continuación. – Su respuesta (conductor o aislante) puede variar dependiendo de la sensibilidad del elemento a la iluminación, campos eléctricos y campos magnéticos del entorno. – Si el semiconductor está sometido a una baja temperatura, los electrones se mantendrán unidos en la banda de valencia y, por ende, no surgirán electrones libres para la circulación de corriente eléctrica. En cambio, si el semiconductor es expuesto a temperaturas elevadas, la vibración térmica puede afectar la solidez de los enlaces covalentes de los átomos del elemento, con lo cual quedan electrones libres para la conducción eléctrica. – La conductividad de los semiconductores varía dependiendo de la proporción de impurezas o elementos dopantes dentro de un semiconductor intrínseco. Por ejemplo, si se incluyen 10 átomos de boro en un millón de átomos de silicio, esa proporción aumenta la conductividad del compuesto mil veces, en comparación con la conductividad del silicio en estado puro. – La conductividad de los semiconductores varía en un intervalo entre 1 y 10-6 S.cm-1, dependiendo del tipo de elemento químico empleado. – Los semiconductores compuestos o extrínsecos pueden presentar propiedades ópticas y eléctricas considerablemente superiores a las propiedades de los semiconductores intrínsecos.Un ejemplo de este aspecto es el arseniuro de galio (GaAs), empleado predominantemente en radiofrecuencia y otros usos de aplicaciones optoelectrónicas. Aplicaciones Los semiconductores son ampliamente utilizados como materia prima en el ensamblaje de elementos electrónicos que forman parte de nuestra vida cotidiana, como por ejemplo, los circuitos integrados. Uno de los principales elementos de un circuito integrado son los transistores. Estos dispositivos cumplen la función de proporcionar una señal de salida (oscilatoria, amplificada o rectificada) según una señal de entrada específica. Además, los semiconductores también son el material primario de los diodos utilizados en circuitos electrónicos para permitir el paso de la corriente eléctrica en un solo sentido. Para el diseño de diodos, se forman junturas de semiconductores extrínsecos tipo P y tipo N. Al alternar elementos portadores y donadores de electrones, se activa un mecanismo de equilibrio entre ambas zonas. Así, los electrones y los huecos de ambas zonas se cruzan y se complementan donde sea necesario. Esto se da en dos vías: – Ocurre el traslado de electrones de la zona tipo N a la zona P. La zona tipo N obtiene una zona de carga predominantemente positiva.

– Se presenta un paso de huecos portadores de electrones de la zona tipo P a la zona tipo N. La zona tipo P adquiere una carga predominantemente negativa.

Finalmente, se constituye un campo eléctrico que induce la circulación de la corriente en un solo sentido; es decir, desde la zona N hacia la zona P. En adición, al emplear combinaciones de semiconductores intrínsecos y extrínsecos se pueden producir dispositivos que desempeñen funciones similares a un tubo de vacío que contiene su volumen cientos de veces. Este tipo de aplicaciones aplica en circuitos integrados como, por ejemplo, chips microprocesadores que abarcan una cantidad considerable de energía eléctrica. Los semiconductores se encuentran presentes en aparatos electrónicos que utilizamos en nuestra vida cotidiana, como equipos de línea marrón tales como televisores, reproductores de video, equipos de sonido; computadores y teléfonos celulares. Ejemplos El semiconductor más utilizado en la industria electrónica es el silicio (Si). Este material está presente en los dispositivos que conforman los circuitos integrados que forman parte de nuestro día a día. Las aleaciones de germanio y silicio (SiGe) son empleadas en circuitos integrados de alta velocidad para radares y amplificadores de instrumentos eléctricos, como por ejemplo, guitarras eléctricas. Otro ejemplo de semiconductor es el arseniuro de galio (GaAs), ampliamente utilizado en amplificadores de señales, específicamente de señales con alta ganancia y bajo nivel de ruido. Referencias Brian, M. (s.f.). How Semiconductors Work. Recuperado de: electronics.howstuffworks.com Landin, P. (2014). Semiconductores intrínsecos y extrínsecos. Recuperado de: pelandintecno.blogspot.com Rouse, M. (s.f.). Semiconductor. Recuperado de: whatis.techtarget.com Semiconductor (1998). Encyclopædia Britannica, Inc. Londres, Reino Unido. Recuperado de: britannica.com What are semiconductors? (s.f.). © Hitachi High-Technologies Corporation. Recuperado de: hitachihightech.com Wikipedia, La Enciclopedia Libre (2018). Semiconductor. Recuperado de: es.wikipedia.org...