Semiconductores

Uno de los temas más importantes en electrónica es el tema de los diodos , si las resistencias son el componente pasivo más básico en circuitos eléctricos, se debe considerar al diodo como el componente activo, más básico.

Sin embargo, a diferencia de una resistencia, un diodo no se comporta linealmente con respecto al voltaje aplicado, ya que tiene una relación exponencial y, por lo tanto, no se puede describir simplemente usando la ley de Ohm como lo hacemos para las resistencias.

Los diodos están hechos de una sola pieza de material semiconductor que tiene una "región P" positiva en un extremo y una "región N" negativa en el otro, y que tiene un valor de resistividad en algún lugar entre el de un conductor y un aislante. Pero, ¿qué es un material de "semiconductor"? En primer lugar, veamos qué hace que algo sea un conductor o un aislante .

Resistividad

La resistencia eléctrica de un componente o dispositivo eléctrico o electrónico se define generalmente como la relación entre la diferencia de voltaje a través de él y la corriente que fluye a través de él, los principios básicos de la Ley de Ohm. 

Pero el problema con el uso de la resistencia como medida es que depende mucho del tamaño físico del material que se mide, así como del material con el que está hecho. Por ejemplo, si incrementáramos la longitud del material (haciéndolo más largo), su resistencia también aumentaría proporcionalmente.

Del mismo modo, si aumentáramos su diámetro o tamaño (haciéndolo más grueso), su valor de resistencia disminuiría. Así que si queremos poder definir el material de tal manera que indique su capacidad para conducir u oponerse al flujo de corriente eléctrica a través de él, sin importar cuál sea su tamaño o forma. La cantidad que se utiliza para indicar esta resistencia específica se llama resistividad  y se le da el símbolo griego de ρ , (Rho).

La resistividad se mide en Ohms. Su inverso es la conductividad.

Si se compara la resistividad de varios materiales, se pueden clasificar en tres grupos principales: Conductores, Aisladores y Semiconductores, tal como se muestra a continuación:

Observe que hay un margen muy pequeño entre la resistividad de los conductores, como la plata y el oro, en comparación con un margen mucho mayor para la resistividad de los aisladores entre el vidrio y el cuarzo.

Esta diferencia en la resistividad se debe en parte a su temperatura ambiente, ya que los metales son mucho mejores conductores de calor que los aislantes.

Conductores

Debido a la tabla de arriba, ahora sabemos que los conductores son materiales que tienen valores muy bajos de resistividad, generalmente en escala "micro-ohms" por metro. Este valor bajo les permite pasar fácilmente a la corriente eléctrica debido a que hay muchos electrones libres flotando dentro de su estructura atómica básica.

Pero estos electrones también, solo fluirán a través de un conductor si hay algo para estimular su movimiento, y ese algo puede ser un voltaje eléctrico. 

Cuando se aplica un potencial de voltaje positivo al material, estos "electrones libres" dejan su átomo principal y viajan junto a través del material formando a su paso una deriva de electrones, más comúnmente conocido como corriente. Cómo "libremente" estos electrones suelen moverse a través de un conductor depende de la facilidad con que se pueden liberar de sus átomos constituyentes cuando se aplica un cierto voltaje. Luego, la cantidad de electrones que fluyen depende de la resistividad que tenga el conductor.

Los ejemplos de buenos conductores son generalmente hecho de metales, tal como el cobre, aluminio, plata o no metales como el carbono, porque estos materiales tienen muy pocos electrones en su "capa de valencia" externa o en su anillo, lo que hace que sean eliminados fácilmente de la órbita del átomo.

En términos generales, la mayoría de los metales son buenos conductores de la electricidad, ya que tienen valores de resistencia muy pequeños.

Si bien los metales como el cobre y el aluminio son muy buenos conductores de electricidad, aún tienen cierta resistencia al flujo de electrones y, por lo tanto, no conducen perfectamente.

La energía que se pierde en el proceso de pasar una corriente eléctrica, aparece en forma de calor, razón por la cual los conductores y especialmente las resistencias se calientan a medida que la resistividad de los conductores aumenta con la temperatura ambiente.

Aislantes

Por otro lado, los aisladores son exactamente lo contrario de los conductores. Están hechos de materiales, generalmente no metálicos, que tienen muy pocos o ningún "electrones libres" flotando alrededor de su estructura atómica básica porque los electrones en la capa de valencia externa son atraídos fuertemente por el núcleo interno cargado positivamente.

En otras palabras, los electrones están pegados al átomo principal y no pueden moverse libremente, por lo que si se aplica un voltaje potencial al material, no fluirá corriente, ya que no hay “electrones libres” disponibles para moverse.

Los aislantes desempeñan un papel muy importante dentro de los circuitos eléctricos y electrónicos, porque sin ellos, los circuitos eléctricos se cortocircuitan y no funcionan. Por ejemplo, los aislantes hechos de vidrio o porcelana se usan para aislar y soportar cables de transmisión, mientras que los materiales de resina de vidrio epoxi se usan para hacer tableros de circuitos impresos, PCB, etc. mientras que el PVC se usa para aislar cables eléctrico.

Introducción a los semiconductores

Ahora es momento de hablar, de los semiconductores, los materiales semiconductores como el silicio (Si), el germanio (Ge) y el arseniuro de galio (GaAs) tienen propiedades eléctricas a mitad, es decir en un lugar en el medio, entre las de un "conductor" y un "aislante". No son buenos conductores ni buenos aislantes (de ahí su nombre son conductores "semi"). Tienen muy pocos "electrones libres" porque sus átomos están agrupados en un patrón cristalino llamado "red cristalina", pero aún así los electrones pueden fluir, solo que en condiciones especiales.

La capacidad de los semiconductores para conducir electricidad puede mejorarse en gran medida al reemplazar o agregar ciertos átomos donantes o aceptadores a esta estructura cristalina, lo que produce más electrones libres que agujeros y viceversa. Esto sucede al agregar un pequeño porcentaje de otro elemento al material base, ya sea silicio o germanio.

El proceso de agregar átomos donadores o aceptores a los átomos semiconductores, se le conoce como dopaje.

Como el silicio dopado ya no es puro, a estos átomos donantes y aceptadores se les conoce colectivamente como "impurezas", y al dopar este material de silicio con un número suficiente de impurezas, podemos convertirlo en un tipo N o tipo P de material semiconductor.

El gran material de Silicio

El Silicio es el material semiconductor más utilizado, posee cuatro electrones de valencia en su capa más externa que comparte con sus átomos de silicio vecinos para formar así orbitales completos de ocho electrones.

La estructura de enlace entre los dos átomos de silicio, es tal que cada átomo comparte un electrón con su vecino, lo que hace que el enlace sea muy estable.

Como hay muy pocos electrones libres disponibles para poder moverse alrededor del cristal de silicio, los cristales de silicio puro (o germanio) son, por lo tanto, buenos aislantes, o al menos resistencias de valor muy alto.

Los átomos de silicio están ordenados en un patrón simétrico definido que los hace una estructura sólida cristalina. Un cristal de sílice pura (dióxido de silicio o vidrio) generalmente se dice que es un cristal intrínseco (no tiene impurezas) y, por lo tanto, no tiene electrones libres.

Pero simplemente conectar un cristal de silicio a un suministro de batería no es suficiente para extraerle una corriente eléctrica. Para hacer eso necesitamos crear un polo “positivo” y un polo “negativo” dentro del silicio permitiendo que cedan los electrones y por lo tanto la corriente eléctrica fluya fuera del silicio. Estos polos se crean dopando el silicio con ciertas impurezas.

❄ Estructura de un átomo de Silicio

Semiconductores Tipo N

Para que nuestro cristal de silicio conduzca la electricidad, necesitamos introducir un átomo de impureza, y estos pueden ser el Arsénico, Antimonio o Fósforo en la estructura cristalina, haciéndolo extrínseco (es decir que "se agregan impurezas"). Estos átomos tienen cinco electrones externos en su orbital más externo para compartir con los átomos vecinos y comúnmente se llaman impurezas "pentavalentes".

Esto permite de alguna manera que cuatro de los cinco electrones orbitales se unan con sus átomos vecinos de silicio, lo que hace que un "electrón libre" se vuelva móvil cuando se aplica un voltaje eléctrico (flujo de electrones). Como cada átomo de impureza "dona" un electrón, los átomos pentavalentes se conocen generalmente como "donantes".

El antimonio (símbolo Sb), así como el fósforo (símbolo P), se utilizan con frecuencia como un aditivo pentavalente para el silicio. El antimonio tiene 51 electrones que se encuentran en cinco capas alrededor de su núcleo y el orbital más externo tiene cinco electrones, el material básico semiconductor resultante tiene un exceso de electrones que transportan corriente, cada uno con una carga negativa, y por lo tanto se lo denomina material tipo N con los electrones llamados "portadores mayoritarios", mientras que los orificios resultantes se llaman "portadores minoritarios".

Ahora por otro lado, cuando son estimulados por una fuente de energía externa, los electrones liberados de los átomos de silicio por esta estimulación son reemplazados rápidamente por los electrones libres disponibles de los átomos de dopaje de antimonio. Pero esta acción aún deja un electrón extra (electrón liberado) flotando alrededor del dopaje del cristal, lo que lo hace cargado negativamente.

Luego, un material semiconductor se clasifica como de tipo N cuando su densidad donadora es mayor que su densidad aceptora, en otras palabras, tiene más electrones que agujeros, lo que por lo tanto lo hace crear un polo negativo.

Átomo de Antimonio y Dopaje

Semiconductores Tipo P

Ahora que ya hemos hablado sobre los semiconductores tipo N, vamos hablar sobre los semiconductores tipo P.

Para entender mejor el tema, veamos lo siguiente, si introducimos una impureza "trivalente" (3 electrones) en la estructura cristalina, como el aluminio, el boro o el indio, que solamente tienen tres electrones de valencia disponibles en su orbital más externo, el cuarto enlace cerrado no puede ser formado. Por lo tanto, no es posible una conexión completa, dando al material semiconductor una gran cantidad de portadores cargados positivamente conocidos como agujeros en la estructura de cristal donde faltan efectivamente los electrones.

Como ahora hay un agujero en el cristal de silicio, un electrón vecino es atraído hacia él y tratará de moverse hacia el agujero para llenarlo. Sin embargo, el electrón que llena el agujero deja otro agujero detrás mientras se mueve. Esto a su vez atrae a otro electrón que a su vez crea otro agujero detrás de él, y así sucesivamente, dando la apariencia de que los agujeros se mueven como una carga positiva a través de la estructura cristalina (flujo de corriente convencional).

Este movimiento de agujeros provoca una escasez de electrones en el silicio que convierte todo el cristal dopado en un polo positivo. Como cada átomo de impureza genera un agujero, las impurezas trivalentes se conocen generalmente como " aceptores ", ya que continuamente "aceptan" electrones adicionales o libres.

El boro (símbolo B) se usa comúnmente como un aditivo trivalente, ya que tiene solo cinco electrones dispersados en tres capas alrededor de su núcleo y el orbital más externo tiene solo tres electrones.

El dopaje de los átomos de boro hace que la conducción consista principalmente en portadores de carga positiva que dan como resultado un material tipo P con los orificios positivos que se denominan "portadores mayoritarios", mientras que los electrones libres se denominan "portadores minoritarios".

Luego, un material básico de semiconductor se clasifica como tipo P cuando su densidad aceptora es mayor que su densidad donante. Por lo tanto, un semiconductor de tipo P tiene más orificios que electrones.

Átomo de Boro y Dopaje