Semiconductores

Los semiconductores son materiales cuya conductancia eléctrica puede ser controlada de forma permanente o dinámica variando su estado desde conductor a aislante.

Son los materiales cuya característica principal es permitir la circulación de corriente en un sentido, y es nula o casi nula debido a su alta resistencia inversa en el sentido opuesto, el primer semiconductor utilizado en la detección de señales de radio fue la galena o sulfuro de plomo
Los semiconductores son materiales cuya conductividad varía con la temperatura, pudiendo comportarse como conductores o como aislantes. Resulta que se desean variaciones de la conductividad no con la temperatura sino controlables eléctricamente por el hombre.
MATERIALES SEMICONDUCTORES.
· Elementos del Grupo IV. Semiconductores elementales
· Elementos del Grupo IV. Semiconductores compuestos
· Aleaciones triples con elementos de los gruposIII y [[Elementos del
· Aleaciones cuádruples con elementos de los gruposIII y V
· Fosfuro de aluminio-galio-indio (AlGaInP, o InAlGaP, InGaAlP, AlInGaP)
· Fosfuro de aluminio-galio-arsénico (AlGaAsP)
· Fosfuro de indio-galio-arsénico (InGaAsP)
· Fosfuro de aluminio-indio-arsénico (AlInAsP)
· Nitruro de aluminio-galio-arsénico (AlGaAsN)
· Nitruro de indio-galio-arsénico (InGaAsN)
· Nitruro de indio-aluminio-arsénico (InAlAsN)
· Aleaciones quíntuples con elementos de los gruposIII y V
· Antimoniuro de galio-indio-nitrógeno-arsénico (GaInNAsSb)
· Semiconductores de los grupos II y VI
· Seleniuro de cadmio (CdSe)
· Sulfuro de cadmio (CdS)
· Teluro de cadmio (CdTe)
· Óxido de zinc (ZnO)
· Seleniuro de zinc (ZnSe)
· Sulfuro de zinc (ZnS)
· Teluro de zinc (ZnTe)
· Aleaciones triples con elementos de los gruposII y VI
· Teluro de cadmio-zinc (CdZnTe, CZT)
· Teluro de mercurio-cadmio (HgCdTe)
· Teluro de mercurio-zinc (HgZnTe)
· Seleniuro de mercurio-zinc (HgZnSe)
· Semiconductores de los grupos I y VII
· Cloruro de cobre (CuCl)
· Semiconductores de los grupos IV y VI
· Seleniuro de plomo (PbSe)
· Sulfuro de plomo (PbS)
· Teluro de plomo (PbTe)
· Sulfuro de estaño (SnS)
· Teluro de estaño (SnTe)
· Aleaciones triples con elementos de los gruposIV y VI
· Teluro de plomo-estaño (PbSnTe)
· Teluro de talio-plomo (Tl2SnTe5)
· Teluro de talio-germanio (Tl2GeTe5)
· Semiconductores de los grupos V y VI
· Teluro de bismuto (Bi2Te3)
· Semiconductores de los grupos II y V
· Fosfuro de cadmio (Cd3P2)
· Arseniuro de cadmio (Cd3As2)
· Antimoniuro de cadmio (Cd3Sb2)
· Fosfuro de zinc (Zn3P2)
· Arseniuro de zinc (Zn3As2)
· Antimoniuro de zinc (Zn3Sb2)
· Semiconductores por capas
· Yoduro de estaño II (PbI2)
· Disulfuro de molibdeno (MoS2)
· Seleniuro de galio (GaSe)
· Sulfuro de estaño (SnS)
· Sulfuro de bismuto (Bi2S3)
· Otros
· Seleniuro de cobre-indio-galio (CIGS)
· Siliciuro de platino (PtSi)
· Yoduro de bismuto II (BiI3)
· Yoduro de mercurio II (HgI2)
· Bromuro de talio (TlBr)
· Óxidos varios
· Dióxido de titanio: (anatase) (TiO2)
· Óxido de cobre I (Cu2O)

APLICACIONES DE LOS SEMICONDUCTORES.
"Gran parte de los avances en la sociedad de la información se han debido al desarrollo de los semiconductores". "Prácticamente podríamos decir que vivimos en una sociedad basada en los semiconductores. En casi en todas las actividades humanas se hace uso de los semiconductores, principalmente dentro de los circuitos integrados""El estudio de los semiconductores es fundamental para el entendimiento de los dispositivos electrónicos modernos"

EN DISPOSITIVOS ELECTRICOS.
Un material semiconductor es aquel que tiene una conductividad eléctrica intermedia, entre la de los metales y los aislantes; y otras propiedades físicas no usuales. Estos se pueden clasificar en dos tipos:
• Semiconductores intrínsecos: poseen una conductividad eléctrica fácilmente controlable y, al combinarlos correctamente adecuadamente, pueden actuar como interruptores, amplificadores o dispositivos de almacenamiento. Ejemplo: Si y Ge puros.
• Semiconductores extrínsecos: estos se forman al agregar, intencionadamente, a un semiconductor intrínseco sustancias dopantes. Su conductividad dependerá de la concentración de esos átomos dopantes. Dependiendo de esas impurezas habrá dos tipos:
a) Semiconductores de tipo n: En las redes de Si o Ge se introducen elementos del grupo 15 los cuales debido a que tienen un electrón más en su capa de valencia que los elementos del grupo14 se comportan como impurezas donadoras de electrones o portadores negativos.
b) Semiconductores de tipo p: En este caso se introducen elementos del grupo 13 que presentan un electrón menos en su capa de valencia, por lo que se comportan como aceptores o captadores de electrones.

APLICACIONES EN DISPOSITIVOS ELECTRICOS.
Se han desarrollado muchos dispositivos electrónicos utilizando las propiedades de transporte de los semiconductores; el uso de semiconductores en la industria electrónica ha aumentado de forma importante. Así, veremos algunas de las más importantes:
• Termistores: se basan en la propiedad de que la conductividad depende de la temperatura para medir dicha temperatura. También se usan en otros dispositivos, como en alarmas contra incendio.
• Transductores de presión: al aplicar presión a un semiconductor, los átomos son forzados a acercarse, el gap de energía se estrecha y la conductividad aumenta. Midiendo la conductividad, se puede conocer la presión que actúa sobre ese material.
• Rectificadores (dispositivos de unión tipo p-n): se producen uniendo un semiconductor tipo n con otro tipo p, formando una unión tipo p-n. Los electrones se concentran en la unión tipo n y los huecos en la unión p. El desequilibrio electrónico resultante crea un voltaje a través de la unión.
• Transistores de unión bipolar: un transistor se puede usar como interruptor o como amplificador. El transistor de unión bipolar (BJT), se suele utilizar en unidades de procesamiento central de computadoras por su rápida respuesta a la conmutación.
• Transistores de efecto de campo: utilizado frecuentemente para almacenar información en la memoria de los ordenadores. El transistor de efecto de campo (FET), se comporta de forma algo distinta a los de unión bipolar.

DOPADO EN SEMICONDUCTORES.
En la producción de semiconductores, se denomina dopaje al proceso intencional de agregar impurezas en un semiconductor extremadamente puro (también referido como intrínseco) con el fin de cambiar sus propiedades eléctricas. Las impurezas utilizadas dependen del tipo de semiconductores a dopar. Semiconductores con dopajes ligeros y moderados se los conoce como extrínsecos. Un semiconductor altamente dopado que actúa más como un conductor que como un semiconductor es llamado degenerado.
Para conseguir esto, se introducen átomos de otros elementos en el semiconductor. Estos átomos se llaman impurezas y tras su introducción, el material semiconductor presenta una conductividad controlable eléctricamente.
El dopaje consiste en sustituir algunos átomos de silicio por átomos de otros elementos. A estos últimos se les conoce con el nombre de impurezas. Dependiendo del tipo de impureza con el que se dope al semiconductor puro o intrínseco aparecen dos clases de semiconductores. Hueco Exceso de electrones Semiconductor tipo P Semiconductor tipo N
El material semiconductor más utilizado es el Silicio (Si), pero hay otros semiconductores como el Germanio (Ge) que también son usados en la fabricación de circuitos. El silicio está presente de manera natural en la arena por lo que se encuentra con abundancia en la naturaleza. Además, el Si presenta propiedades mecánicas y eléctricas buenas. Su purificación es relativamente sencilla (llegándose a Si puro del 99,99999%) y el Si se presta fácilmente a ser oxidado, formándose SiO2 y constituyendo un aislante que se utiliza en todos los transistores de la tecnología CMOS.

TIPOS DE MATERIALES DOPANTES.
Ø Tipo N
Se llama material tipo N al que posee átomos de impurezas que permiten la aparición de electrones sin huecos asociados a los mismos. Los átomos de este tipo se llaman donantes ya que "donan" o entregan electrones y serán de valencia cinco como el Arsénico y el Fósforo. De esta forma no se ha desbalanceado la neutralidad eléctrica, ya que el átomo introducido al semiconductor es neutro; pero, a diferencia de los átomos que conforman la estructura original, posee un electrón no ligado, por lo tanto la energía necesaria para separarlo del átomo será menor que la necesitada para romper una ligadura en el cristal de silicio (o del semiconductor original). Finalmente tendremos más electrones que huecos por lo que los primeros serán los portadores mayoritarios y los últimos los minoritarios. La cantidad de portadores mayoritarios será función directa de la cantidad de átomos de impurezas introducidos.

Ø Tipo P.
Se llama así al material que tiene átomos de impurezas que permiten la formación de huecos sin que aparezcan, como ocurre al romperse una ligadura, electrones asociados a los mismos. Los átomos de este tipo se llaman aceptores, ya que "aceptan" o toman un electrón, y serán de valencia tres como el Aluminio, el Indio o el Galio. Nuevamente, el átomo introducido es neutro, por lo que no modificará la neutralidad eléctrica del cristal; pero, debido a que solo tiene tres electrones en su última capa de valencia, aparecerá una ligadura rota que tendrá afinidad por tomar electrones de los átomos próximos; generando finalmente más huecos que electrones por lo que los primeros serán los portadores mayoritarios y los segundos los minoritarios. Al igual que en el material tipo N, la cantidad de portadores mayoritarios será función directa de la cantidad de átomos de impurezas introducidos.

USO DEL DOPADO EN SEMICONDUCTORES.
LA UNION P-N
Los dispositivos semiconductores más comunes dependen de las propiedades de la unión entre materiales de tipo p y de tipo n. Esta unión p-n se produce de forma más habitual por difusión en estado sólido de un tipo de impureza de tipo p sobre un material de tipo n. Aunque también se puede obtener un diodo de unión p-n por crecimiento de un monocristal de silicio intrínseco y dopándolo primero con un material de tipo n y después con uno p. Este diodo p-n se puede encontrar de tres maneras distintas, según como se aplique el voltaje:
• En el equilibrio: Antes de la unión, ambos tipos de semiconductores son neutros; en los p los huecos son los portadores mayoritarios y en los n son los electrones. Después de la unión, los portadores de esta se difunden a través de ella. Después de algunas recombinaciones, el proceso se interrumpe, ya que los electrones que van al material tipo p, son repelidos por los iones negativos; y los huecos son repelidos por los iones positivos del material tipo n. Los iones inmóviles de la unión forman una zona agotada de los portadores mayoritarios, llamada zona de deplexión. De esta forma no hay flujo neto de corriente en condiciones de circuito abierto.
• Polarización inversa: Si se invierte el voltaje aplicado, tanto los huecos como los electrones se separan de la unión. Sin portadores de carga en la zona de agotamiento, la unión se comporta como un aislante y casi no fluye corriente.
• Polarización directa: Si en la unión p-n se aplica un voltaje externo, de forma que la terminal negativa este del lado tipo n, los electrones y los huecos se moverán hacia la unión y se recombinarán finalmente. El movimiento de electrones y de huecos producen una corriente neta. Si se incrementa esta polarización, aumentará la corriente que pase por la unión.
APLICACIONES PARA DIODOS DE UNION P-N.
Ø Diodos rectificadores: Uno de los usos más importantes de estos diodos de unión p-n es convertir corriente alterna en corriente continua, lo que se conoce como rectificación. Al aplicar una señal de corriente alterna a un diodo de unión p-n, este conducirá sólo cuando la región p tenga aplicado un voltaje positivo con respecto a la región n, por lo que se produce una rectificación de media onda. Esta señal se suaviza con otros dispositivos y circuitos electrónicos, para dar una corriente continua estable.

Ø Diodos de avalancha: También se les llama diodos zener; son rectificadores de Si. En la polarización inversa se produce una pequeña fuga de corriente, debido al movimiento de electrones y huecos térmicamente activados. Al hacerse demasiado grande la polarización inversa, cualquier portador que llegue a fugarse se acelerara lo suficiente para excitar a portadores de carga, causando una corriente elevada en dirección inversa. Debido a este fenómeno se pueden diseñar dispositivos limitadores de voltaje. Al dopar adecuadamente la unión p-n, se puede seleccionar el voltaje de avalancha o de ruptura. Al aumentar mucho el voltaje, por encima del de ruptura, fluirá una corriente elevada a través de la unión, así se evita que pase por el resto del circuito; por eso se utilizan para proteger circuitos contra voltajes accidentales.

TRANSISTOR DE UNION BIPOLAR.
Un transistor de unión bipolar es un apilamiento de materiales semiconductores en secuencia n-p-n-p-n-p. En el transistor se pueden distinguir tres zonas:
• Emisor: emite portadores de carga, como es de tipo n, emite electrones.
• Base: controla el flujo de los portadores de carga, es de tipo p. Esta se hace muy delgada (del orden de 10-3 cm de espesor) y se dopa, de forma que solo una pequeña fracción de los portadores que viene del emisor se combinará con los portadores mayoritarios de la base con carga opuesta.
• Colector: recoge los portadores de carga provenientes del emisor; la zona del colector es del tipo n, recoge electrones.

MATERIAL PARA EL DOPADO DE SEMICONDUCTORES.
Un material del semiconductor es dopado o aleado bajo vacío con una impureza por la descomposición termal y por la sedimentación resultando de fuerza centrífuga. El material de doping es aplicado alternativamente por la evaporación antes de ser sujetado a la fuerza centrífuga y se puede calentar hasta el punto de fusión antes de la terminación de la acción centrífuga. Se proporciona una centrifugadora teniendo una capa de aislamiento termal entre la pared externa de un rotor y una ayuda para que el material básico del semiconductor sea dopado. El material de doping de la impureza que se evaporará sobre el material de estado sólido básico se pone en el centro del rotor de la centrifugadora.