ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA

100414 – Física Electrónica

Act 7: Reconocimiento Unidad 2

¿ QUÉ ES UN SEMICONDUCTOR ?

Tomado de: http://www.dgdc.unam.mx/Assets/cienciaboleto/cb_04.pdf

“ Semi ” es un prefijo que viene del latín y quiere decir medio. Hay semicírculos, semiautomáticas, semifinales, seminternados... y también semiconductores.

Los sistemas de control, los lectores ópticos, las pantallas con luces y en general todos los equipos electrónicos que se emplean en este momento, utilizan semiconductores. Desde las poderosas computadoras hasta las calculadoras de bolsillo, además de la mayoría de los aparatos domésticos, los equipos de medición de laboratorio, las asombrosas celdas solares, las fotocopiadoras y una larga serie de otras aplicaciones, tienen que ver con los semiconductores. Pero, ¿ qué es un semiconductor ? ¿ Acaso es un “ medio conductor ” ?

La revolución tecnológica causada por los semiconductores empieza en diciembre de 1947 cuando John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley, de los Laboratorios Bell —centro de investigación de la compañía AT&T, nombrados así en honor de Alexander Graham Bell, inventor del teléfono y fundador de Bell Telephone Co., antecesora de AT&T—, construyeron el primer transistor hecho de un pedazo de germanio (elemento semiconductor) con varios contactos eléctricos sobrepuestos. El transistor mejoró enormemente el funcionamiento de los bulbos al vacío como instrumento de control, amplificación y generación de señales electrónicas. Estos científicos recibieron el Premio Nobel en 1956 y los descendientes de este primer transistor cambiaron la tecnología de nuestro mundo.

Muchas de las características de los semiconductores se observaron en el siglo XIX pero no pudieron ser interpretadas porque todavía no existía la física adecuada ( llamada hoy física del estado sólido ). El físico inglés Michael Faraday, pionero en experimentos de electromagnetismo en aquel siglo, tuvo mucho interés en las propiedades de los materiales. Notó con ciertos materiales, como el sulfuro de plata, que aunque sí conducían electricidad, tenían un comportamiento anómalo con la temperatura. Sorprendentemente, sus características conductoras mejoraban a medida que aumentaba la temperatura, a diferencia del comportamiento de los metales, que se vuelven menos conductores cuando están más calientes. Los físicos tardarían un siglo en explicar este hecho. También se observó que estos materiales, intermedios entre los extremos más

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conocidos de aislantes y conductores, eran muy sensibles a la luz, presentando la llamada fotoconductividad : conducían mejor al ser iluminados.

Los estudios hechos en el siglo pasado se hacían en minerales naturales impuros. Pero hacia 1940 las técnicas de crecimiento de cristales y el control del contenido de impurezas ya permitieron entender la importancia de la presencia de impurezas en los semiconductores porque se pudo manipular mejor su estructura interna como sólidos.

Todos tenemos una idea intuitiva de qué son los sólidos. Sabemos que nos podemos sentar en ellos y que nos duele el pie si los pateamos. También se conocen hace mucho tiempo algunas leyes que obedecen los sólidos; por ejemplo, cómo caen. Sin embargo, el conocimiento de la naturaleza interna de los sólidos, de su comportamiento molecular, fue un misterio durante muchos siglos. De hecho, la física del estado sólido es una disciplina relativamente nueva, desarrollada en el siglo XX, gracias a los enormes avances de las técnicas experimentales —que han permitido penetrar en la materia— y a la mecánica cuántica que nos ha dado la clave del comportamiento a escalas mucho menores que la escala humana.

Es aún más reciente el interés de la física del estado sólido por estudiar materiales desordenados.

Originalmente todo el esfuerzo se dirigió al estudio de los materiales llamados cristalinos, esto es, aquellos en los que los átomos o moléculas se acomodan en sitios regulares del espacio, con una cierta periodicidad, como cuando en un vagón del Metro cada pasajero ocupa un lugar para sentarse y además cada vagón tiene la misma distribución de sitios. En cambio, si los pasajeros no se sientan en estos lugares, forman un arreglo desordenado. Sin embargo, lo que todos los materiales tienen en común es que las fuerzas responsables de la formación de átomos, moléculas y finalmente sólidos son fuerzas eléctricas.

Es justamente por sus propiedades eléctricas que los sólidos se clasifican como conductores, semiconductores y aislantes.

Los semiconductores están a medio camino entre los conductores y los aislantes. Presentan también una conductividad eléctrica, pero diferente a la de los metales (conductores por excelencia). La conductividad metálica aumenta cuando se enfría el metal porque hay menos agitación térmica y por lo tanto menos resistencia. Si, por ejemplo, vas corriendo por los pasillos de un centro comercial y te encuentras con que hay trabajadores de limpieza trapeando el pasillo, se frena un poco tu carrera. Si fueras un electrón, encontrarías que aumentó la resistencia del material. El aumento de obstáculos es el efecto de la agitación térmica en los conductores. En cambio, los semiconductores se

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comportan de una manera inesperada: aumentan su conductividad al calentarse, como observó Michael Faraday en el sulfuro de plata en 1833.

La existencia de electrones y huecos es otra característica fundamental de los semiconductores. Es claro que el hueco no es realmente una partícula, aunque pueda parecer que se mueve como si lo fuera. Cuando un pasajero de un vagón lleno deja un hueco, inmediatamente ese espacio es tomado por otro pasajero, que deja otro hueco detrás de él, con lo cual se crea la apariencia de un movimiento de huecos. Aprovechando esta ilusión para considerar al hueco como una partícula de carga positiva, los físicos han podido describir todos los resultados observados experimentalmente en los semiconductores.

AISLADORES, CONDUCTORES Y SEMICONDUCTORES

Dependiendo de la facilidad con que permiten la circulación de corriente en un circuito, los materiales se pueden dividir en conductores, aislantes o semiconductores.

Materiales Conductores. Entre menos electrones existan en la órbita de valencia de un átomo, mejor conductor será, debido a que se requiere menos energía para liberar un electrón de valencia que para liberar un número mayor.

Los materiales conductores tienen uno o dos electrones de valencia, pero entre estos los mejores conductores son los que tienen un electrón de valencia, como el oro, la plata y el cobre. De estos tres, el más empleado en circuitos eléctricos es el cobre.

Materiales Aislantes. Son aquellos cuyos átomos tienen 8 electrones de valencia o más de cuatro. Entre más electrones se tengan en la capa de valencia mejor aislante será el material.

Por otro lado los átomos que tienen menos de 4 electrones de valencia se hacen inestables y por ello es más fácil liberar los electrones de estos átomos que de los que tienen más de 4 electrones de valencia, que es cuando se hacen más estables. Decimos que un átomo es estable cuando su capa de valencia se encuentra saturada de electrones, estos átomos no se combinan debido a que tienen su capa de valencia llena.

Un átomo con 7 electrones de valencia puede aceptar un electrón, pero un átomo que tiene uno o dos electrones de valencia puede cederlos fácilmente.

Entre los materiales más empleados como aislantes se encuentran: el caucho, los plásticos, el papel, la resina, la cerámica y el vidrio.

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Materiales Semiconductores. Existe una clasificación adicional para algunos elementos cuyo comportamiento no es totalmente el de un conductor, pero tampoco el de un aislante. Son aquellos materiales cuyos átomos tienen cuatro electrones de valencia, como el germanio y el silicio.

Los materiales semiconductores son aquellos que tienen cuatro electrones de valencia y sus átomos pueden enlazarse entre ellos, compartiendo sus electrones, para formar cristales estables. Esto se conoce como enlace covalente y es muy común en el silicio ( Si ) y en el germanio ( Ge )

Los materiales semiconductores puros se denominan intrínsecos y cuando se les agregan impurezas se les denomina extrínsecos.

SEMICONDUCTORES TIPO N Y TIPO P

A los semiconductores se les puede agregar impurezas para que se hagan mejores conductores, esto se logra de la siguiente manera:

Los semiconductores tipo N se construyen con Si o Ge, pero se les adicionan átomos de impurezas que tienen 5 electrones de valencia, de tal manera que al formarse los enlaces covalentes queda sobrando un electrón. De esta forma conseguimos materiales semiconductores con exceso de electrones o carga negativa ( tipo N ). Los átomos que se usan como impurezas son los de arsénico, antimonio y fósforo.

Los materiales tipo P son aquellos que se forman agregando al material semiconductor puro impurezas que contienen 3 electrones de valencia, de tal manera que vamos a tener ausencias de electrones o lo que podemos llamar huecos. Los huecos que quedan en los enlaces covalentes de este tipo de material permiten que los electrones vecinos los puedan llenar quedando abiertos nuevos huecos para ser cubiertos por otros electrones y producir de esta forma la corriente en los semiconductores.

Los elementos que más frecuentemente se usan para producir el material tipo P son el indio, boro y galio.

¿ Qué son topografías de productos semiconductores ?

Tomado de: www.henson-co.com/pages/faq9.php

El papel que los productos semiconductores desempeñan en el mundo es de mayor importancia cada día, no sólo en el campo de la industria electrónica misma, sino en toda una amplia gama de sectores industriales. El que sectores como el del automóvil, telefonía, comunicaciones, el de fabricación de equipos militares, el de máquinas recreativas, los programas espaciales, etc., dependan cada vez más de esta tecnología, nos

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lleva a aceptar el hecho de que nuestra vida diaria está íntimamente ligada a su desarrollo.

Las funciones de los productos semiconductores dependen en gran medida de sus topografías. La estructura y disposición de los elementos, así como de las distintas capas que componen el circuito integrado, lo que en definitiva constituye su «topografía», son resultado directo del diseño y representan una parte importante del esfuerzo creativo, exigiendo su concepción considerables recursos humanos, técnicos y financieros.

Como consecuencia del proceso necesario, el coste del diseño resulta ser muy elevado, al requerir el diseño del circuito funcional, el de cada elemento individual del circuito, el de su disposición geométrica y el de las interconexiones.

Si concebir y diseñar un circuito integrado es costoso y difícil, el copiarlo es, por el contrario, relativamente fácil y su costo muy inferior al necesario para su desarrollo.

Por ello se considera necesario establecer, en aras de la innovación tecnológica, la protección de los creadores de las topografías de los productos semiconductores de manera que puedan amortizar sus inversiones mediante la concesión de derechos exclusivos.