¿Qué son los materiales semiconductores?
Son semiconductores materiales que, dependiendo de las condiciones físicas a las que estén sometidos- temperatura, presión, radiaciones, campos eléctricos o magnéticos- pueden comportarse como conductores eléctricos o como aislantes eléctricos. Esta propiedad de no ser ni un buen aislante ni un buen conductor hace que los semiconductores sean útiles para controlar la corriente eléctrica.
En la actualidad, el semiconductor más empleado es el silicio (Si), particularmente en la industria electrónica y de la computación, al ser uno de los más abundantes en la naturaleza, y por su consistente comportamiento a altas temperaturas.
Tipos de semiconductores
Los semiconductores pueden clasificarse en dos tipos, según su respuesta al entorno físico en que se encuentran:
Semiconductores intrínsecos
Están compuestos por un único tipo de átomos, organizados en moléculas tetraédricas (es decir, de cuatro átomos con valencia de 4) y sus átomos están unidos por enlaces covalentes. Esta configuración química impide el libre movimiento de los electrones alrededor de la molécula, salvo cuando aumenta la temperatura: entonces los electrones absorben parte de la energía disponible y «saltan», dejando un espacio libre que se traduce como una carga positiva, atrayendo así nuevos electrones. Este proceso se llama recombinación, y la cantidad de calor necesaria para ello depende del elemento químico del que se trate.
Semiconductores extrínsecos
Estos materiales permiten un proceso de dopaje, es decir, permiten que se incluyan en su configuración atómica algún tipo de impurezas, con el fin de cambiar sus propiedades eléctricas. Dependiendo de estas impurezas, que pueden ser pentavalentes o trivalentes, los materiales semiconductores se dividen en dos:
- Semiconductores extrínsecos tipo N (donadores): En este tipo de materiales, los electrones, de carga negativa, superan en número a los “huecos”, portadores de carga libre (La N es por la mayor carga negativa). Cuando se aplica una diferencia de potencial al material, los electrones libres se mueven hacia un extremo del material y los huecos hacia el otro. Cuando los huecos llegan al extremo, los electrones del circuito externo entran al semiconductor, produciéndose la transmisión de corriente eléctrica.
- Semiconductores extrínsecos tipo P (aceptores): En estos materiales, la impureza añadida, en lugar de aumentar los electrones disponibles, incrementa los huecos (y con ello, la carga positiva, de ahí la P). Así, se habla de material aceptor añadido, ya que hay mayor demanda de electrones que disponibilidad, y cada «espacio» libre donde debería estar un electrón facilita el paso de la corriente.
Estas diferencias en los materiales semiconductores extrínsecos son fundamentales para el efecto fotovoltaico, como se puede ver en la imagen a continuación.
Nosotros te llamamos.
Ejemplos de semiconductores.
- Silicio (Si)
- Germanio (Ge), a menudo en aleaciones de silicio
- Arseniuro de Galio (GaAs)
- Azufre
- Oxígeno
- Cadmio
- Selenio
- Indio
- Otros materiales químicos resultantes de la combinación de elementos de los grupos 12 y 13 de la tabla periódica, con elementos de los grupos 16 y 15 respectivamente.
Aplicaciones de los semiconductores.
Los semiconductores tienen una amplia gama de aplicaciones debido a sus propiedades únicas de conducción eléctrica, que pueden ser modificadas mediante la introducción de impurezas (dopaje) y la aplicación de campos eléctricos. Aquí se presentan algunas de las aplicaciones más importantes:
Electrónica de consumo:
- Transistores: Elementos básicos en circuitos electrónicos, usados en amplificadores y como interruptores en computadoras y otros dispositivos electrónicos.
- Diodos: Permiten el paso de corriente en una sola dirección, utilizados en rectificadores, detectores de señales y LEDs (diodos emisores de luz).
- Circuitos integrados: Conjuntos de transistores y otros componentes electrónicos en un único chip, esenciales en computadoras, teléfonos móviles, y otros dispositivos electrónicos.
Energía:
- Células solares: Convertidores de luz solar en electricidad, fundamentales para la energía fotovoltaica.
- Dispositivos de potencia: Semiconductores como los MOSFET y los IGBT son cruciales en la conversión y gestión de la energía en sistemas de potencia, como en vehículos eléctricos y sistemas de energía renovable.
Comunicación:
- Láseres y LEDs: Utilizados en comunicaciones ópticas, como en la transmisión de datos a través de fibras ópticas.
- Osciladores y mezcladores: Componentes en radios y sistemas de comunicación inalámbrica.
Sensores y detectores:
- Sensores de temperatura: Semiconductores que cambian su resistencia con la temperatura, usados en termómetros digitales.
- Detectores de radiación: Utilizados en aplicaciones médicas y de seguridad.
Automatización y control industrial:
- Controladores de motores: Dispositivos que regulan la velocidad y el par de motores eléctricos, esenciales en la industria y en electrodomésticos.
- Sistemas de control: Utilizados en la automatización de procesos industriales.
En resumen, los semiconductores son fundamentales en la tecnología moderna, desempeñando roles cruciales en una variedad de aplicaciones que van desde sistemas de comunicación y control industrial, la electrónica de consumo hasta la generación y gestión de energía.