Semiconductores

¿Qué son los semiconductores? - Conceptos básicos

Existen dos tipos de semiconductores: intrínsecos (puros) y extrínsecos (impuros). Los semiconductores intrínsecos están hechos de un solo tipo de material, mientras que los extrínsecos se dopan o se les añaden impurezas para aumentar su conductividad.

• Semiconductores de tipo \ (n\): Se producen añadiendo impurezas pentavalentes, como fósforo o arsénico.
• Semiconductores de tipo \(p\): Se producen añadiendo impurezas trivalentes como el boro o el galio.

En el mundo de los semiconductores, a menudo te encuentras con términos como "banda de valencia", "banda de conducción" y "hueco prohibido". Su comprensión es crucial para entender cómo funcionan los semiconductores.

Importancia y usos de los semiconductores

Los semiconductores desempeñan un papel crucial en muchos de los dispositivos y sistemas que utilizamos en nuestra vida cotidiana. Se encuentran en diversas aplicaciones.

• Electrónica y comunicaciones: Los semiconductores forman el núcleo de diversos dispositivos electrónicos como móviles, ordenadores, radios y televisores.
• Transporte: Los vehículos modernos utilizan ampliamente dispositivos basados en semiconductores para la navegación, los sistemas de control y la gestión de la eficiencia del combustible.
• Sanidad: Los dispositivos médicos como las máquinas de resonancia magnética y ultrasonidos dependen de los semiconductores para realizar diagnósticos precisos.
• Energía: Los paneles solares utilizan semiconductores para convertir la energía luminosa en electricidad.

Los semiconductores están por todas partes, y sin ellos, nuestro mundo tecnológicamente avanzado no sería posible. Así que, la próxima vez que utilices tu smartphone, piensa en el humilde semiconductor, el motor de la tecnología moderna.

Explorando los distintos tipos de semiconductores

Los semiconductores son un tipo único de material con propiedades intermedias entre los conductores y los aislantes. Pueden clasificarse a grandes rasgos en dos categorías: semiconductores intrínsecos y extrínsecos.

Tipos intrínsecos y extrínsecos de semiconductores

Los semiconductores intrínsecos rara vez encuentran utilidad fuera de un laboratorio debido a su baja densidad de portadores de carga libre. Sin embargo, son fundamentales para comprender las propiedades de los semiconductores extrínsecos, que se analizan a continuación. El proceso de dopaje introduce niveles de energía adicionales en la estructura de bandas del silicio. Los electrones pueden saltar desde estos niveles de energía a la banda de conducción, mientras que los huecos que dejan atrás pueden aceptar electrones de la banda de valencia. Al final, obtenemos semiconductores extrínsecos con un flujo de corriente significativamente mayor.

Semiconductores de tipo N y de tipo P: Una comparación

Los semiconductores extrínsecos se subdividen a su vez en dos grupos basados en el tipo de portadores de carga que se convierten en portadores mayoritarios, conocidos como semiconductores de tipo n (tipo negativo) y de tipo p (tipo positivo). Cada átomo añadido de fósforo tiene cinco electrones de valencia. Cuatro electrones de valencia forman enlaces covalentes con cuatro átomos de silicio adyacentes, mientras que el último electrón es casi libre de moverse dentro de la red, lo que contribuye a aumentar el número de electrones libres, mejorando así la conductividad eléctrica. Como los átomos de boro sólo poseen tres electrones de valencia, no son suficientes para formar enlaces covalentes estables con los átomos de silicio adyacentes, por lo que se crea una vacante para un electrón, o un "agujero". Este hueco puede moverse cuando un electrón cercano lo llena, creando así la ilusión de movimiento de carga positiva. Así pues, los ingenieros tienen la opción de utilizar semiconductores de tipo n o de tipo p para sus dispositivos, en función de las propiedades eléctricas deseadas. En la actualidad, muchos dispositivos semiconductores, como diodos, transistores y circuitos integrados, utilizan tanto semiconductores de tipo n como de tipo p en distintas regiones, formando uniones p-n. Esta combinación aumenta la versatilidad de los dispositivos electrónicos que forman la columna vertebral de la tecnología moderna.

Ejemplos conocidos de semiconductores en ingeniería

Aunque muchos materiales poseen propiedades semiconductoras, pocos se han generalizado en aplicaciones prácticas. En ingeniería, el silicio, el germanio y el arseniuro de galio destacan entre los semiconductores más utilizados. Desempeñan un papel fundamental en la fabricación de diversos dispositivos electrónicos.

El silicio como semiconductor de uso generalizado

Hay razones que explican la popularidad del silicio en la fabricación de dispositivos electrónicos. El silicio forma un óxido estable, el dióxido de silicio, que permite fabricar dispositivos intrincados y complejos. El dióxido de silicio actúa como un excelente aislante, proporcionando aislamiento entre diferentes dispositivos y varias secciones dentro de un dispositivo. Otra propiedad crítica del silicio es su energía de banda prohibida. La energía de la banda prohibida del silicio es de aproximadamente 1,1 electronvoltios (eV), lo que resulta perfecto para aplicaciones electrónicas. Esta brecha de banda permite al silicio convertirse en un interruptor electrónico eficiente, capaz de encenderse y apagarse repetidamente sin gran disipación de energía. Los dispositivos de silicio tienen mayor estabilidad térmica. Los dispositivos electrónicos generan calor durante su funcionamiento. Si un material semiconductor no puede soportar el calor generado, puede estropearse. El silicio puede funcionar a temperaturas relativamente altas, de hasta unos \(150^{circ})C, lo que lo hace adecuado para distintos entornos. Además, el silicio es el segundo material más abundante en la Tierra, por lo que es relativamente barato. Su proceso de extracción también es menos peligroso que el de otros materiales semiconductores, lo que aumenta su atractivo. Todo ello ha contribuido al dominio del silicio en el campo de la electrónica.

Germanio y arseniuro de galio: Otros semiconductores comunes

Elgermanio y el arseniuro de galio representan otros semiconductores comunes que desempeñan un papel importante en las aplicaciones de ingeniería, sobre todo en el mundo de la electrónica. Tiene una energía de banda prohibida menor (unos 0,7 eV) que el silicio. Esta baja energía de separación de bandas permite al germanio funcionar a frecuencias más altas, lo que lo hace útil en aplicaciones de conmutación de alta velocidad. Sin embargo, la popularidad del germanio ha disminuido con los años porque está limitado por su baja estabilidad térmica, lo que lo hace menos adecuado para aplicaciones de alta temperatura. El GaAs tiene un bandgap directo de unos 1,43 eV, lo que lo hace más eficiente para emitir luz en comparación con el silicio, lo que lleva a su uso en diodos emisores de luz (LED) y diodos láser. Además, el GaAs tiene una movilidad de electrones significativamente mayor que el silicio y el germanio. Esta mayor movilidad de los electrones permite velocidades de funcionamiento más rápidas, por lo que resulta útil en aplicaciones de alta frecuencia, como las tecnologías de microondas y ondas milimétricas. Sin embargo, la aplicación del GaAs está limitada por el coste, ya que su proceso de fabricación es complicado y costoso. Además, no forma una capa de óxido tan estable como la del silicio, lo que limita su utilidad para crear circuitos pequeños y complejos. En conclusión, aunque todos los semiconductores comparten el rasgo común de la resistividad variable, cada uno de ellos tiene también características únicas. Los ingenieros eligen el material semiconductor más adecuado, teniendo en cuenta las características necesarias para su aplicación concreta.

Proceso de fabricación de semiconductores: Una visión general

En cualquier campo de la ingeniería en el que intervenga la electrónica, es esencial comprender el proceso de fabricación de semiconductores. La fabricación de semiconductores es un procedimiento complejo que consta de varias fases, desde la purificación de la materia prima hasta el troceado y empaquetado de los chips. Cada fase requiere la máxima precisión y una estricta garantía de calidad para producir semiconductores que son fundamentales para nuestros dispositivos modernos.

Proceso de fabricación de los semiconductores

Vamos a dilucidar las etapas importantes que intervienen en la fabricación de semiconductores, a saber

• Purificación y crecimiento de cristales
• Preparación de obleas
• Diseño y fotolitografía
• Grabado
• Dopado
• Deposición de metales e interconexiones
• Pruebas, corte y empaquetado

Purificación y crecimiento de cristales: Todo comienza con la purificación del silicio bruto, extraído principalmente de la arena. El silicio se somete a varios procesos para alcanzar una pureza del 99,9999999% (nueve nueves). A continuación, el silicio purificado se funde y crece hasta convertirse en un lingote de silicio monocristalino mediante el proceso Czochralski. El resultado es una disposición altamente ordenada y periódicamente repetitiva de átomos de silicio en forma de cristal.Preparación de la oblea: El lingote de silicio se corta en finas obleas circulares con una sierra de diamante. A continuación, estas obleas se pulen hasta conseguir un acabado de espejo, creando una base perfecta para la formación de transistores. Diseñoy fotolitografía: En la fase de diseño, se crean los patrones del circuito y se transfieren a la oblea de silicio mediante fotolitografía. Básicamente, la oblea se recubre con un material sensible a la luz, o fotorresistente. A continuación, el patrón del circuito, conocido como retículo, se expone sobre la oblea mediante luz ultravioleta en un proceso denominado "exposición". Las zonas expuestas se eliminan durante el proceso de revelado, dejando una plantilla del patrón en la oblea. Grabado: Las zonas expuestas se eliminan mediante técnicas de grabado químico o de plasma seco, creando una estructura tridimensional en la superficie de la oblea. A continuación se retira el fotorresistente no expuesto, dejando una oblea de silicio con el patrón listo para el dopaje.Dopaje: La oblea modelada se somete a una serie de procesos de tratamiento térmico en presencia de agentes dopantes específicos. El dopaje introduce impurezas en la oblea, creando zonas de semiconductores de tipo p o de tipo n. De este modo se establecen las uniones necesarias, las resistencias y la resistencia. Así se establecen las uniones, resistencias y transistores necesarios.Deposición de metales e interconexiones: Se depositan capas de metal (normalmente aluminio o cobre) sobre la oblea para formar interconexiones. Estas interconexiones forman las vías que permiten el flujo de electrones entre los distintos componentes del circuito.Pruebas, corte y embalaje: La oblea terminada se somete a una prueba de detección de defectos. Tras la validación, la oblea se corta en chips o troqueles individuales, cada uno de los cuales lleva un duplicado del circuito deseado. Por último, las matrices se empaquetan en una carcasa de soporte que protege las pequeñas y delicadas estructuras.

Retos y consideraciones en la producción de semiconductores

La fabricación de semiconductores no está exenta de un conjunto único de retos y consideraciones. Algunos de ellos son

• Alto coste de fabricación.
• Complejidad y precisión necesarias.
• Requisitos y limitaciones de los materiales.
• La necesidad de dispositivos pequeños, densos y rápidos.

Alto coste de fabricación: La construcción de una planta de fabricación de semiconductores (comúnmente conocida como fab) requiere una inversión de capital significativa, que oscila en miles de millones de dólares. El coste se debe a la necesidad de equipos especializados de alta precisión y de salas blancas para mantener un entorno libre de contaminantes. Además, los materiales utilizados en el proceso, como el silicio ultrapuro y la fotorresistencia, son caros de producir.Complejidad y precisión necesarias: La complejidad del proceso significa que hay numerosos lugares donde pueden introducirse errores: cada etapa debe controlarse con extrema precisión para evitar defectos que puedan inutilizar el dispositivo semiconductor final. Este reto se ve agravado por el hecho de que se trata de estructuras de unos pocos nanómetros de tamaño.Requisitos y limitaciones de los materiales: La mayoría de los semiconductores se fabrican con silicio porque es abundante y forma un óxido estable. Sin embargo, el silicio no es necesariamente el material óptimo para todas las aplicaciones, y otros materiales pueden ofrecer mejores prestaciones en cuanto a velocidad o eficacia. Encontrar formas rentables de utilizar estos materiales alternativos es un reto importante. La necesidadde dispositivos pequeños, densos y rápidos : A medida que aumenta la demanda de dispositivos pequeños, densos y rápidos, los fabricantes se enfrentan constantemente al reto de reducir el tamaño de los transistores y empaquetar más de ellos en un solo chip; todo ello manteniendo su rendimiento. Este deseo de miniaturizar continuamente ha impulsado la innovación en la fabricación de semiconductores, pero también presenta su propio conjunto de retos, especialmente a medida que nos acercamos a los límites físicos de lo pequeños que pueden hacerse estos dispositivos. La capacidad de superar estos retos determinará el progreso futuro de la tecnología de semiconductores, influyendo en cuánto más podamos ampliar los límites de los dispositivos electrónicos.

Estudio Avanzado: Materiales semiconductores

A medida que ampliamos nuestra exploración en el ámbito de los semiconductores, es fundamental tener en cuenta que el silicio no es el único material de la ciudad. Sí, domina la industria de los semiconductores, sobre todo debido a su capacidad para formar fácilmente una capa de óxido. Sin embargo, existe una amplia gama de materiales semiconductores, y poseen propiedades específicas que satisfacen los requisitos especializados de diversas aplicaciones.

Exploración de diversos materiales semiconductores

Los semiconductores pueden clasificarse a grandes rasgos en tres tipos:

• Semiconductores elementales
• Semiconductores compuestos
• Semiconductores orgánicos

Semiconductores elementales: Esta categoría incluye semiconductores elementales como el silicio (Si) y el germanio (Ge). Pertenecen al cuarto grupo de la tabla periódica y tienen cuatro electrones de valencia. Entre ellos, el silicio es el material semiconductor más utilizado debido a sus buenas propiedades térmicas, disponibilidad y procesos de fabricación maduros.Semiconductores compuestos: Están compuestos por elementos de dos grupos diferentes de la tabla periódica. Algunos ejemplos son el arseniuro de galio (GaAs), el fosfuro de indio (InP) y el nitruro de galio (GaN). Presentan diversas propiedades, como alta movilidad de los electrones o banda prohibida directa, lo que los hace adecuados para aplicaciones específicas, como dispositivos de alta frecuencia, alta potencia y optoelectrónica.Semiconductores orgánicos: Son materiales a base de carbono que presentan propiedades semiconductoras. Los semiconductores orgánicos ofrecen flexibilidad y pueden procesarse en solución, lo que permite su uso en aplicaciones como pantallas flexibles y paneles solares. Sin embargo, su rendimiento suele ser inferior al de los semiconductores inorgánicos, y a menudo presentan mayores retos en cuanto a estabilidad y fiabilidad. La transición del silicio a otros materiales no es un proceso sencillo, debido principalmente a los retos técnicos asociados a la manipulación de materiales diferentes. No obstante, las ventajas que ofrecen estos materiales, como un mejor rendimiento en determinadas aplicaciones, a menudo hacen que el esfuerzo adicional merezca la pena.

Propiedades únicas de los materiales semiconductores

Los materiales semiconductores poseen varias propiedades únicas que los diferencian de los aislantes y los conductores. Estas características exclusivas son la base de su utilidad en episodios electrónicos. Algunas de las propiedades críticas son

• Banda de energía
• Movilidad del portador
• Propiedades térmicas

Banda de energía: Los semiconductores tienen un bandgap energético distinto (\(E_g\)) entre sus bandas de conducción y de valencia. A diferencia de los metales, que tienen bandas de conducción y de valencia superpuestas, o de los aislantes, con bandas de energía mucho más anchas, los semiconductores tienen una banda de energía modesta. Un material con una brecha energética más amplia tiene una menor probabilidad de fuga de electrones cuando el dispositivo está apagado, lo que da lugar al término "materiales con brecha energética alta." Movilidad del portador: Es la capacidad de un portador de carga (un electrón o un hueco) para desplazarse a través de un material cuando se aplica un campo eléctrico. Una mayor movilidad del portador significa que la carga se mueve más deprisa, lo que da lugar a un dispositivo semiconductor más rápido.Propiedades térmicas: Al igual que ocurre con otros materiales, la conductividad de los semiconductores varía con la temperatura. Sin embargo, a diferencia de los metales que tienden a aumentar su resistividad con la temperatura, los semiconductores disminuyen su resistividad al aumentar la temperatura. Esto se debe a la mayor disponibilidad de portadores de carga a medida que se calienta el material semiconductor. También hay que tener en cuenta que el proceso de dopaje, que introduce impurezas en el semiconductor, puede afectar significativamente tanto a las propiedades conductoras como a la banda prohibida del material. Eligiendo los dopantes adecuados, podemos controlar las propiedades eléctricas del semiconductor para adaptar el dispositivo a aplicaciones específicas. Por último, es vital recordar que ningún material semiconductor posee todas las propiedades ideales. La elección del material depende en gran medida de la aplicación prevista y, a menudo, es necesario encontrar un equilibrio entre varias propiedades contradictorias. Por ejemplo, conseguir una mayor movilidad de los portadores puede tener como contrapartida una menor banda prohibida energética, lo que requiere una cuidadosa consideración durante el proceso de diseño. Desde los procesadores informáticos hasta los paneles solares, la diversa gama de semiconductores y sus propiedades únicas desempeñan un papel fundamental en la configuración del mundo de la electrónica avanzada. Con las continuas investigaciones y mejoras en la ciencia de los materiales, ¡quién sabe lo que la futura tecnología de semiconductores podría hacer posible!