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MATERIALES SEMICONDUCTORES COMPUESTOS: UNA MIRADA CIENTÍFICA, TÉCNICA Y APLICATIVA

Autores: Indira bermejo Fernández. Fabián Bolívar Guerrero.

UNIVERSIDAD DEL ATLÁNTICO FACULTAD INGENIERÍA PROGRAMA INGENIERÍA QUÍMICA Barranquilla 2020

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Introducción

Desde hace décadas se ha reconocido que la Química está ligada a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales, a partir del momento en que el ser humano descubrió que era posible la fabricación de nuevos materiales por medio de modificaciones y procesos. Apuntes de Salas, Restrepo, Cockrell, Ramírez, Noguez (2012) destacan con la aparición del primer químico en el mundo (remontado al siglo XVIII) y la evolución de los procesos metalúrgicos se dispusieron ciertos avances y descubrimientos dentro de la química moderna orientada, por ejemplo, a la búsqueda de nuevas aleaciones y modelos para entender la estructura química y su relación con las propiedades. Destacan los citados autores que a partir de los avances en esta materia surgen los modelos para lograr el enlace atómico necesario en la integración de substancias y materiales químicos que, junto a la

configuración de la Tabla

Periódica de los Elementos Químicos, generan una contribución relevante a la ciencia e ingeniería de los materiales y coadyuvan a la consideración de los denominados

semiconductores, cuyo término surgió para 1910 por parte de

Weiss quien los definió como aquellos que derivan de la conductividad eléctrica, los conductores y los aislantes.

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Para Salas et al. (2012), se pueden considerar como materiales semiconductores aquellos que se enmarcan en la Teoría de Bandas y la Teoría Cuántica con la composición principal de bandas (llenas o vacías) que facilitan el salto de un electrón (desde la banda llena) hasta la banda superior vacía donde este obtendrá energía suficiente. Hacen énfasis además en que estos posibilitan la conducción dentro de los estados vacíos de la banda inferior (banda de valencia), ya que un electrón deja tal espacio en la banda de la valencia que adquiere la libertad para el movimiento. En este sentido, conviene destacar que la gran mayoría de los elementos químicos conocidos pueden considerarse formadores de los semiconductores, de manera que convierten estas sustancias en materiales compuestos por dos o más elementos que merecen ser definidos, caracterizados y contextualizados en técnica y aplicación dentro del campo de la Ingeniería principalmente y la Ciencia en general. Según se conoce, los primeros semiconductores particularmente surgieron a principios del siglo XX en los radiorreceptores “de galena”. Para1940 Russell Ohl, de Laboratorios Bell, descubrió que si a ciertos cristales se les añadía una cantidad de impurezas su conductividad eléctrica era variante al exponer a una fuente de luz tal material, lo que llevó al desarrollo de las celdas solares; así, en 1947 William Shockley, Walter Brattain y John Barden, desarrollaron el primer

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semiconductor de germanio (Ge), “transistor” como base de la electrónica moderna. Tagueña (2005) cuenta que grandes características de los semiconductores se observaron en el siglo XIX aunque no pudieron interpretarse ya que la física no existía de manera adecuada, al menos la del estado sólido. Hace referencia al físico

inglés

Michael

Faraday

como

pionero

en

los

experimentos

de

electromagnetismo y con alto interés en las propiedades de los materiales, quien observó que el sulfuro de plata, por ejemplo, conducía electricidad y tenía un comportamiento anómalo con la temperatura, a diferencia del comportamiento de los metales que se hacen menos conductores si se calientan demás. Por otro lado, se evidenció que estos materiales intermedios, entre los extremos de conductores y aislantes, eran también sensibles a la luz, pasos de interés que abonaron el terreno de bases teóricas sobre los semiconductores propiamente.

Semiconductores.

Situados entre los conductores y aislantes, se trata de materiales cuyas temperaturas muy bajas permiten la conducción de la corriente eléctrica, llegando a ser más bien como los aislantes con la diferencia de que al elevar su temperatura y someterse a un campo eléctrico externo cambia su comportamiento al de los conductores (Farrera, 2014).

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De acuerdo con el mencionado autor, estos pueden considerarse intrínsecos y extrínsecos, siendo los primeros aquellos cuyas bandas de conducción y valencia están separadas por una barrera de energía más pequeña en comparación con la del diamante, mientras que los extrínsecos se reconocen en tanto se agregan átomos pentavalentes (donador), entre ellos el As, al germanio, se forman enlaces covalentes con los átomos de Ge. En los semiconductores más empleados (Si, Ge) su estructura cristalina se denomina “diamantina” y en ella tanto el Si como el Ge poseen cuatro e - de valencia o bien 4 e – externos, donde cada átomo está rodeado por 4 vecinos y comparten uno de sus 4 e - de valencia con cada átomo vecino, tomando de ellos otro e - en proceso análogo. Se contemplan las barras de conexión como pistas en las cuales se mueven dos e - en uno y otro sentido entre los átomos asociados, de modo que a tal disposición de pares de e - compartidos se le llama enlace covalente. En los semiconductores particularmente la diamantina para uno de carácter puro a baja temperatura las cargas libres pueden moverse por el cristal, de manera que se considera como aislante. Dependiendo del tipo de impurezas que tengan tenemos dos tipos de semiconductores: tipo N (negativos) y tipo P (positivos).

Semiconductores Tipo N

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Estos semiconductores se obtienen mediante un proceso de dopaje añadiendo una pequeña cantidad de impurezas provenientes de un elemento pentavalente, es decir, aquellos que tienen cinco electrones en su último orbital como el fosforo (P), arsénico (As) o antimonio (Sb), estas impurezas son incorporadas al semiconductor intrínseco con el cual se comparte cuatro de sus cinco electrones, quedando un electrón no enlazado el cual se moverá fácilmente por la red cristalina aumentando la conductividad. De este modo el material será un conductor extrínseco tipo N o donador de electrones debido al exceso de electrones libres existentes dentro de la estructura cristalina del material semiconductor.

Ilustración 1: estructura cristalina compuesta por átomos de silicio (Si) dopada con átomos de antimonio (Sb).

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Semiconductor Tipo P

En este caso, los semiconductores se obtienen añadiendo como dopaje una impureza trivalente (tres electrones de valencia) como lo son el boro (Br), indio (In) o galio (Ga), al carecer de un electrón de valencia para formar cuatro enlaces covalentes, se presenta un defecto en la red cristalina originando huecos que aceptan el paso de electrones que no pertenecen a la red. Debido a la carga positiva del hueco del enlace y el flujo de electrones a través de este produce una corriente eléctrica que circula en sentido contrario a la corriente derivada de los electrones libres. Por lo tanto, a este tipo de conductores se denominan extrínsecos tipo P o aceptadores de electrones.

Ilustración 2: Estructura cristalina compuesta por átomos de silicio (Si) dopada por átomos de galio (Ga).

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Materiales Semiconductores compuestos.

Además del silicio, existen semiconductores que combinan elementos del grupo III y V y elementos de grupo II y VI. Por ejemplo, GaAs, PIn, AsGaAl, TeCd, SeCd y SCd.se han usado convencionalmente para dispositivos de alta frecuencia y dispositivos ópticos.

Dentro de los tipos de semiconductores existentes pueden considerarte elementales y compuestos, siendo estos segundos a su vez clasificados en binarios, ternarios y cuaternarios de acuerdo con la cantidad de compuestos que los integran. Un material de la Universidad Complutense de Madrid (s/f) apunta que los semiconductores binarios dentro de si se dividen bajo las siguientes nomenclaturas: III‐V, II‐VI, IV-IV y IV‐VI. Figura 5. Semiconductores binarios III‐V

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Fuente: Universidad Complutense de Madrid (s/f) Figura 6. Semiconductores binarios II‐VI

Fuente: Universidad Complutense de Madrid (s/f) Figura 7. Semiconductores binarios IV ‐VI

Propiedades de materiales semiconductores.

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Material sólido o líquido capaz de conducir la electricidad mejor que un aislante, pero peor que un metal. La conductividad eléctrica, que es la capacidad de conducir la corriente eléctrica cuando se aplica una diferencia de potencial, es una de las propiedades físicas más importantes. Ciertos metales, como el cobre, la plata y el aluminio son excelentes conductores. Por otro lado, ciertos aislantes como el diamante o el vidrio son muy malos conductores. A temperaturas muy bajas, los semiconductores puros se comportan como aislantes. Sometidos a altas temperaturas, mezclados con impurezas o en presencia de luz, la conductividad de los semiconductores puede aumentar y llegar a alcanzar niveles cercanos a los de los metales Las propiedades de los semiconductores están determinadas por la brecha de energía entre las bandas de valencia y conducción. 

Banda de valencia.



Banda de conducción.



Banda de ancha.



Nivel fermi.



Par de agujeros de electrones.

Algunos semiconductores compuestos:

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El arseniuro de galio: El compuesto Arseniuro de galio (GaAs) es un agregado formado en parte por galio (Ga+3) y en parte por arsénico Posee propiedades semiconductoras en tecnología se utiliza para elaborar dispositivos con circuitos integrados para frecuencias de microondas, así como diodos de emisión infrarroja, diodos de láser y células fotovoltaicas. El proceso por el cual se obtiene el arseniuro de galio implica una fundición a 1280 grados °C de arsénico y galio, donde se obtiene un lingote cilíndrico de AsGa. Luego se corta en trocitos denominados “tortas” o “wafers”. Luego se depositan sobre ellas en monocristalino, sucesivas capas de aleaciones ternarias de distintos elementos indio, Arsénico, Galio, etc. Estas capas se graban en un proceso de fundición por fotolitografía con máscaras donde se dejan grabados los dibujos de los circuitos integrados que se quieren obtener para los distintos usos en electrónica. Zinc seleniuro: Seleniuro de zinc ( Zn Se) es un compuesto sólido que comprende

zinc

de

color

amarillo

claro

(Zn)

y selenio (Se).

Es

un semiconductor intrínseco con un intersticio de banda de alrededor de 2,70 eV a 25 ° C (77 ° F). Es un semiconductor de ancho de banda prohibida del grupo de semiconductores II-VI (ya zinc y selenio pertenecen a los grupos 12 y 16 de la tabla periódica , respectivamente). El material puede ser dopado de tipo

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n dopado con, por ejemplo, halógeno elementos. De tipo P dopaje es más difícil, pero se puede lograr mediante la introducción de galio .

Sulfuro de cadmio: El sulfuro de cadmio es el compuesto inorgánico con la fórmula de CdS. Sulfuro de cadmio es un sólido verde. Se produce en la naturaleza con dos estructuras cristalinas diferentes, como los minerales raros greenockite y hawleyite, pero es más frecuente como una sustituyente impureza en la estructura similar de zinc minerales esfalerita y wurtzite, que son las principales fuentes económicas de cadmio.

Sulfuro de

plomo (III):

El sulfuro de

plomo

tiene propiedades

semiconductoras. Hoy en día se utiliza para el infrarrojo, estos elementos de detección se clasifican como detectores de fotones, tomando como diferencia a los detectores infrarrojos responden directamente a la radiación. Los detectores térmicos responden solamente al cambio de temperaturas del material el cual es causado por la energía de los fotones. Debido a esta diferencia, la radiación se puede medir de dos maneras: detección de la corriente débil eléctrica o midiendo el cambio en la resistencia eléctrica del material que nos permite saber la temperatura. Se extrae del mineral galena el cual posee la misma composición química, sirve como fuente de obtención de plomo y otros compuestos de este metal.

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Como en la natura el sulfuro de plomo se encuentra en forma de galena, el cual este mineral es importante para contener las impurezas de plata que puede contener, también se utiliza para las explotaciones de otros metales. El sulfuro de plomo también forma parte de la formulación de algunos esmaltes cerámicos. Antimoniuro de aluminio: El antimoniuro de aluminio es un semiconductor del grupo III-V compuesto por antimonio y aluminio. Puede ser aleado con semiconductores del mismo grupo para formar AlInSb, AlGaSb y AlAsSb. Este compuesto se utiliza principalmente en ciertos dispositivos electróòpticos. Es un material prometedor para semiconductores de alta temperatura como transistores o diodos de unión P-N debido a una banda prohibida de 1.62 eV, es un material prometedor para mejorar el rendimiento de células solares. Antimoniuro de indio: Es un compuesto de indio y antimonio que sirve como un semiconductor de banda prohibida. Una lámina del compuesto entre láminas de antimoniuro de aluminio-indio actúa como pozo cuántico, en donde el efecto es utilizable en la construcción de transistores de alta velocidad. Este compuesto es utilizado en detectores de infrarrojos como cámaras termográficas y guiado por misiles.

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Nitruro de boro: El nitruro de boro, de fórmula BN, es un compuesto binario del boro, que consiste en proporciones iguales de boro y nitrógeno. El compuesto es isoelectrónico al carbono, (el boro aporta 3 electrones de valencia y el nitrógeno 5) por lo que el nitruro de boro tiene formas polimórficas, homólogas a los alotropos del carbono. El c-BN es producido por el tratamiento del nitruro de boro hexagonal a altas presiones y temperaturas, de la misma manera que es producido el diamante artificial a partir del grafito. La conversión directa de nitruro de boro hexagonal a nitruro de boro cúbico ocurre a presiones por encima de los 18 GPa y temperaturas de entre 1730-3230 °C. La adición de pequeñas cantidades de óxido de boro pueden reducir la presión requerida a unos 4-7 GPa, y la temperatura a unos 1500 °C. Industrialmente se utilizan distintos catalizadores para lograr la reacción, los cuales varían según el método de producción (ej.: Litio, Potasio o Magnesio, sus nitruros, sus fluoronitruros, agua con compuestos de amoníaco, etc.).

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