Fundamentos de semiconductores para principiantes

Los semiconductores son la base de la electrónica moderna, y entender su funcionamiento es fundamental para comprender dispositivos como diodos, transistores y circuitos integrados. A lo largo de este artículo, exploraremos los conceptos clave sobre semiconductores, desde sus propiedades básicas hasta su aplicación en la tecnología actual.

El estudio de los semiconductores comienza con la comprensión de los materiales que conducen la electricidad y aquellos que no lo hacen. Esto nos lleva a la clasificación de los materiales en conductores, semiconductores e insuladores.

Qué es un conductor

Los conductores son materiales que permiten el flujo de electricidad con una resistencia mínima. El cobre es uno de los mejores ejemplos de conductor, y su eficacia se debe a su estructura atómica.

Un átomo de cobre tiene 29 protones y 29 electrones, organizados en órbitas concéntricas. La configuración de estos electrones es clave: dos en la primera órbita, ocho en la segunda, dieciocho en la tercera y uno en la órbita más externa, conocida como órbita de valencia.

Carga neta en un conductor

La carga neta de un átomo se determina considerando el núcleo y los electrones en las órbitas internas. En el caso del cobre, la carga neta es de +1, ya que tiene 29 protones y 28 electrones en las órbitas internas. Esta configuración permite que el electron de valencia se desplace fácilmente, lo que resulta en una alta conductividad eléctrica.

Electrones libres y corriente

Los electrones en la órbita de valencia de un conductor son conocidos como electrones libres. Debido a la débil atracción del núcleo, estos electrones pueden ser desplazados fácilmente, permitiendo el flujo de electricidad, o corriente.

• La alta cantidad de electrones libres en los conductores es lo que les permite conducir electricidad de manera eficiente.
• La resistencia eléctrica en un conductor es generalmente muy baja, lo que facilita el paso de la corriente.

Entendiendo los insuladores

Los insuladores son materiales que no permiten el flujo de electricidad. Un ejemplo clásico de un buen insulador es el neón. Su estructura atómica revela por qué es ineficaz para conducir electricidad.

Un átomo de neón tiene 10 protones y 10 electrones, con 2 en la primera órbita y 8 en la órbita de valencia. La carga neta del núcleo es de +8, lo que crea una fuerte atracción hacia los electrones de valencia, evitando que se desplacen y, por ende, impidiendo la conducción eléctrica.

Si se aplica un voltaje suficientemente alto a un insulador, es posible que los electrones sean arrancados de sus átomos, lo que puede resultar en un arco eléctrico o una descarga.

Introducción a los semiconductores

Los semiconductores son materiales que tienen propiedades intermedias entre los conductores y los insuladores. La mayoría de los semiconductores, como el silicio, tienen cuatro electrones de valencia.

El silicio tiene 14 protones y 14 electrones, organizados en dos órbitas: dos electrones en la primera y ocho en la segunda. Los cuatro electrones restantes se encuentran en la órbita de valencia, lo que permite que el silicio conduzca electricidad bajo ciertas condiciones.

La conductividad de un semiconductor depende del número de electrones de valencia que posea. Un átomo con un solo electrón de valencia es un buen conductor, mientras que uno con ocho electrones es un fuerte insulador. El silicio, con sus cuatro electrones de valencia, se sitúa en un punto intermedio.

Estructura de los cristales de silicio

Cuando los átomos de silicio se combinan, forman un cristal en el que los átomos se organizan en un patrón regular. Cada átomo de silicio comparte sus electrones de valencia con cuatro átomos vecinos, creando una red cohesiva que permite cierta conductividad.

Este proceso de compartir electrones es crucial para la formación de enlaces químicos fuertes, conocidos como enlaces covalentes.

Enlaces covalentes en semiconductores

Los enlaces covalentes se forman cuando los electrones de valencia son compartidos entre átomos, lo que resulta en una unión estable. Este tipo de enlace es fundamental para la estructura del silicio, ya que proporciona solidez y estabilidad a la red cristalina.

• Los enlaces covalentes permiten que los cristales de silicio mantengan su estructura incluso al ser sometidos a tensiones.
• Son responsables de las propiedades semiconductoras del silicio.

Entendiendo los huecos en semiconductores

Al aumentar la temperatura, los átomos en un cristal de silicio pueden vibrar con suficiente energía para liberar electrones de la órbita de valencia. La ausencia de un electrón crea una vacante conocida como hueco, que actúa como una carga positiva.

Cuando un electrón libre se mueve cerca de un hueco, es atraído hacia él, y el proceso de unirse se denomina recombinación. Este fenómeno es fundamental en el funcionamiento de los dispositivos semiconductores.

Flujo de electrones libres y huecos

Al conectar una batería a un cristal puro de silicio, los electrones libres y los huecos comienzan a moverse. La tensión aplicada fuerza a los electrones a fluir en una dirección y los huecos en la opuesta.

Este movimiento establece un flujo continuo de electrones y huecos dentro del semiconductor, permitiendo el transporte de carga. Estos portadores de carga son conocidos como portadores.

• Los electrones libres se mueven hacia el terminal positivo de la batería.
• Los huecos se desplazan hacia el terminal negativo.

Dopaje de semiconductores

El dopaje es un proceso mediante el cual se añaden impurezas a un cristal de silicio puro para modificar su conductividad. Estas impurezas, conocidas como dopantes, pueden ser átomos de tres o cinco electrones de valencia.

El dopaje aumenta la cantidad de electrones libres o huecos, mejorando así la conductividad del semiconductor. Un semiconductor ligeramente dopado presenta alta resistencia, mientras que uno fuertemente dopado tiene baja resistencia.

Semiconductores tipo n

Los semiconductores que son dopados para aumentar la cantidad de electrones libres se denominan semiconductores tipo n, donde la "n" representa negativo. Esto se logra añadiendo impurezas pentavalentes, como el fósforo.

Estos átomos tienen un electrón de más, lo que contribuye a la creación de electrones libres en el cristal de silicio. En un semiconductor tipo n, los electrones libres son los portadores mayoritarios, mientras que los huecos son los portadores minoritarios.

Semiconductores tipo p

Por otro lado, los semiconductores que se dopan para aumentar la cantidad de huecos se conocen como semiconductores tipo p, donde la "p" se refiere a positivo. Esto se logra añadiendo impurezas trivalentes como el boro.

Los átomos trivalentes tienen un electrón de menos, lo que resulta en la creación de huecos. En un semiconductor tipo p, los huecos son los portadores mayoritarios, y los electrones libres son los portadores minoritarios.

Avanzando en la comprensión de semiconductores

En el próximo artículo, exploraremos cómo se forman uniones PN al dopar un cristal de silicio con material tipo p en un lado y tipo n en el otro. Esta unión es fundamental para la creación de diodos, componentes esenciales en la electrónica moderna.