Desde el silicio económico hasta los elementos de tierras raras (ETR), los materiales semiconductores difieren en costo y disponibilidad. Los semiconductores son necesarios para los transistores de efecto de campo, el funcionamiento de celdas solares, sensores del Internet de las Cosas (IoT) y circuitos para automóviles autónomos. Los semiconductores y los materiales empleados en su fabricación son responsables de la existencia del mundo moderno.
Nuevos materiales están destinados a tomar protagonismo cuando los materiales semiconductores convencionales alcancen sus límites físicos. El mercado para estos materiales, combinado con nuevas aplicaciones semicondutoras, está transformando la producción y la adquisición de materiales en todo el sector.
Este artículo proporciona una visión general de los materiales semiconductores y una lista de materiales y sus usos. Sin embargo, primero, definamos qué es un semiconductor.
Un semiconductor es un material con propiedades eléctricas únicas que lo hacen ideal para utilizar como base para computadoras y otros dispositivos. Generalmente es un compuesto o un elemento químico sólido que conduce electricidad en ciertas situaciones pero no en otras. Como resultado, es un excelente medio para controlar la corriente eléctrica y los electrodomésticos.
Un conductor conduce electricidad, mientras que un aislante no lo hace. Los semiconductores tienen cualidades que se encuentran entre las de un conductor y las de un aislante. Los semiconductores se pueden encontrar en diodos, circuitos integrados (CI) y transistores.
La conductancia de un electrodo de control puede cambiar dependiendo de la corriente o voltaje que se le aplique y de la intensidad de la radiación infrarroja (IR), ultravioleta (UV), luz visible o rayos X. Las impurezas, también conocidas como dopantes añadidas a un semiconductor, afectan sus propiedades únicas.
La mayoría de los semiconductores están formados por cristales compuestos de diversos materiales. Los usuarios deben comprender primero los átomos y cómo se organizan los electrones dentro del átomo para entender mejor cómo funcionan los semiconductores. Dentro de un átomo, los electrones se organizan en capas conocidas como “shells”. La capa más externa se llama capa de valencia.
Estos son los electrones que forman enlaces con los átomos cercanos en esta capa de valencia, conocidos como enlaces covalentes. La capa de valencia de la mayoría de los conductores tiene solo un electrón, mientras que la capa de valencia de los semiconductores generalmente tiene cuatro electrones.
Los electrones pueden conectarse con los electrones de valencia de otros átomos si tienen el mismo valor que los que los rodean. Cuando esto sucede, los átomos se autoorganizan en formaciones cristalinas. Utilizamos estos cristales para fabricar la mayoría de los semiconductores, principalmente cristales de silicio.
Los metales conducen electricidad porque sus electrones libres pueden moverse libremente entre los átomos, lo cual es necesario para que funcione la electricidad. El silicio puro, por ejemplo, tiene muy pocos electrones libres y por lo tanto se comporta más como un aislante que como un semiconductor.
Mediante un proceso conocido como dopaje, el silicio puede ser dirigido hacia la conductividad. El dopaje introduce contaminantes microscópicos en los semiconductores. Las impurezas fomentan la conductividad al introducir “átomos donantes” en el material base. Aunque la cantidad de impurezas añadidas a los materiales semiconductores es extremadamente pequeña - tan poco como un átomo donante por cada diez millones de átomos del semiconductor - es suficiente para permitir la conductividad eléctrica. Las impurezas tipo N y tipo P son los dos tipos de impurezas utilizadas.
El fósforo y el arsénico son dos semiconductores tipo N. Los electrones de valencia de ambos compuestos son cinco. Cuando uno de los electrones de dopaje se añade a la red de silicio, no tiene nada a lo que adherirse, lo que lo hace disponible para el flujo eléctrico. Estos semiconductores se conocen como tipo N porque los electrones tienen carga negativa.
El galio o el boro se utilizan para dopar semiconductores tipo P. Los electrones de valencia de los dos elementos de dopaje son solo tres. Cuando se mezclan con la red de silicio, algunos electrones del silicio no tienen a donde adherirse, permitiendo así la conductividad eléctrica. El silicio dopado con galio o boro se conoce como semiconductor tipo P porque le falta un electrón, lo que resulta en una carga positiva.
Los materiales semiconductores tienen conductividad en el rango entre conductores y aislantes. Ejemplos incluyen elementos puros como el germanio/silicio y compuestos como el seleniuro de cadmio/arseniuro de galio. Se pueden añadir pequeñas cantidades de impurezas a semiconductores puros durante el dopaje para alterar drásticamente la conductividad del material.
La conductividad de los materiales es principalmente intermedia entre la de los aislantes y los conductores. Los semiconductores tienen características esenciales en el diseño de dispositivos de estado sólido, como transistores y diodos.
Los materiales semiconductores ofrecen características únicas de conductividad eléctrica. El éxito de los semiconductores depende de la capacidad de crear en masa nuevos materiales con estas propiedades a un costo comparable al silicio (Si).
A continuación se presenta una lista de materiales semiconductores:
El material semiconductor germanio pertenece al grupo IV de la tabla periódica. Esta sustancia se utilizó en el desarrollo de dispositivos tempranos como diodos y transistores. Los transistores tempranos podían enfrentar problemas de sobrecalentamiento porque los diodos tenían un coeficiente de temperatura más significativo y conductividad inversa. Tiene una mayor movilidad de portadores de carga que el silicio, razón por la cual se emplea en algunos dispositivos electrónicos basados en radiofrecuencia (RF).
El silicio es el material semiconductor más utilizado y pertenece al grupo IV de la tabla periódica de los elementos químicos. Estos materiales son extremadamente fáciles de trabajar y tienen excelentes propiedades mecánicas y eléctricas. Cuando estos materiales se utilizan en circuitos integrados, producen dióxido de silicio de alta calidad para capas de aislamiento entre las diversas partes activas del chip.
El semiconductor de arsenuro de galio, que pertenece al grupo III-V de la tabla periódica, es el material más frecuentemente utilizado después del silicio. Se emplea ampliamente en dispositivos de RF de alto rendimiento que utilizan la alta movilidad electrónica de este elemento. También se utiliza como sustrato en otros semiconductores III-V como GaInNAs e InGaAs. En comparación con el silicio, este material muestra una menor movilidad de huecos. Además, es difícil de fabricar, lo que eleva el costo de los dispositivos GaAs.
El carburo de silicio es un elemento de la tabla periódica que pertenece al grupo IV. En comparación con los dispositivos basados en silicio, estos componentes se utilizan en electrónica de potencia porque tienen menores pérdidas y mayores temperaturas de operación. En comparación con el silicio, este material tiene una capacidad de ruptura diez veces mayor. Los tipos de material de carburo de silicio se utilizan en LEDs azules y amarillos.
En la tabla periódica, el nitruro de galio, o GaN, es un miembro del grupo III-V. Se encuentra principalmente en transistores y circuitos integrados de microondas, donde se requieren máxima potencia y temperaturas. Este material semiconductor es difícil de dopar para producir áreas tipo P y es electrostáticamente sensible pero no sensible a la radiación ionizante. Los LEDs azules se han fabricado con este material.
El fosfuro de galio, o GaP, es un material semiconductor que pertenece al grupo III-V de la tabla periódica. Este material se utilizó en LEDs de baja a mediana luminosidad que generaban múltiples colores dependiendo del número de dopantes utilizados. El GaP puro produce luz verde, el GaP dopado con nitrógeno produce luz verde amarillenta, y el GaP dopado con óxido de zinc produce luz roja.
El sulfuro de cadmio, o CdS, es un material semiconductor que pertenece al grupo II-VI de la tabla periódica. Este material se utiliza tanto en celdas solares como en fotoresistencias.
El material semiconductor sulfuro de plomo, también conocido como PbS, es un elemento del grupo IV-VI de la tabla periódica que se utilizó en detectores de radio tempranos llamados “bigotes de gato”, que utilizaban un contacto de punta hecho al colocar un alambre delgado sobre la galena para proporcionar rectificación de señal.
Hay dos tipos diferentes de materiales semiconductores:
Una de las características clave de un material semiconductor intrínseco es que es químicamente muy puro. Como resultado, tiene un nivel más bajo de conductividad y un número menor de portadores de carga, como electrones y huecos, en proporciones iguales.
Como alternativa a las impurezas, el número de portadores de carga en este material semiconductor puede determinarse por los parámetros del material. Como resultado, el número de electrones cargados es igual al número de huecos (n = p), resultando en semiconductores tipo i o no dopados.
El silicio (Si) y el germanio (Ge) son los materiales semiconductores intrínsecos más utilizados, y tienen cuatro electrones en su capa de valencia, haciéndolos tetravalentes. Estos dos minerales pertenecen al grupo IV de la tabla periódica, y sus números atómicos son 14 y 32 respectivamente.
Los materiales semiconductores extrínsecos se crean mezclando una pequeña cantidad de impurezas con el material semiconductor intrínseco. La brecha de energía de este material puede ajustarse mediante dopaje con impurezas pequeñas.
Este “dopaje” utiliza un elemento de la tabla periódica para hacer que la banda de valencia del semiconductor contenga ya sea menos o más electrones que el semiconductor mismo. Como resultado, se producirá escasez o exceso de electrones.
Los semiconductores extrínsecos tipo P y tipo N son dos formas de materiales semiconductores extrínsecos que se clasifican según el tipo de impureza adicional.
Se puede añadir una pequeña cantidad de impureza trivalente a un semiconductor puro para producir un semiconductor extrínseco tipo P. La impureza añadida tiene tres electrones de valencia. Cuando un átomo similar al boro (B) se introduce a un átomo de germanio (Ge), tres electrones de valencia se acoplan a los átomos de germanio, formando tres enlaces covalentes. Otro electrón en el átomo de Ge, sin embargo, permanecerá sin formar un enlace. El espacio se refiere como un “hueco” cuando un átomo carece de un electrón para formar un enlace covalente.
Se puede añadir una pequeña cantidad de impureza pentavalente a un semiconductor puro para crear un semiconductor tipo N. Como resultado, esta impureza contiene cinco electrones de valencia.
Por ejemplo, si se añade un átomo similar al arsénico al átomo de Ge, 4 electrones de valencia se unirán a través de los átomos de germanio, mientras que un electrón permanecerá libre.
El germanio, el silicio y el arsenuro de galio son los materiales semiconductores más comunes. El germanio tiene cuatro electrones de valencia que se colocan en la capa externa del átomo.
La cantidad de electrones de valencia presentes determina la conductividad del material semiconductor. Aunque el germanio fue una etapa crucial en la historia de los materiales semiconductores, ha caído en desuso en favor del silicio, el material semiconductor más utilizado.
Desde la década de 1950, el silicio ha sido ampliamente utilizado en semiconductores. Después del carbono, el silicio es el elemento más abundante en el planeta, con cuatro electrones de valencia y una temperatura de fusión más alta.
El cuarzo tiene una alta concentración de silicio. La purificación, extracción y cristalización del silicio son todas técnicas efectivas y rentables. Debido a que el silicio cristaliza en una estructura de diamante con una conexión relativamente estable, tiene excelentes propiedades mecánicas.
El arsenuro de galio es el segundo semiconductor más popular del mundo. A diferencia del germanio y el silicio, el arsenuro de galio es un compuesto químico creado al mezclar galio, que tiene 3 electrones de valencia, y arsénico, que tiene 5.
Los semiconductores de arsenuro de galio responden rápidamente a las señales eléctricas porque tienen ocho electrones de valencia, lo que los hace ideales para amplificar señales de alta frecuencia como las encontradas en satélites de televisión. Sin embargo, el arsenuro de galio tiene varias desventajas: es más difícil de producir en masa que el silicio, y los químicos necesarios para fabricarlo son extremadamente tóxicos.
El silicio, la materia prima esencial en la fabricación de semiconductores para la mayor parte del siglo XX, está llegando al final de su vida útil. Los analistas de la industria temen que el silicio pronto alcance los límites de la Ley de Moore debido a la demanda de circuitos integrados cada vez más pequeños y rápidos. Se sigue investigando en nuevos materiales, algunos de los cuales muestran un gran potencial para el futuro:
Como su nombre lo indica, los conductores son materiales que permiten la conducción eléctrica. La plata, el oro y el cobre son algunos ejemplos. Los aislantes, por otro lado, tienen una fuerte resistencia a la electricidad y la previenen. Los aislantes incluyen el vidrio, el caucho y la cerámica.
Los semiconductores tienen tanto propiedades conductoras como de aislamiento, como sugiere su nombre. Los semiconductores suelen ser cristalinos y tienen una baja cantidad de electrones libres, que es necesaria para la conductividad. En cambio, sus átomos crean una red cristalina que permite la conductividad eléctrica, pero solo bajo ciertas condiciones.
Los semiconductores son aislantes a bajas temperaturas, permitiendo poca o ninguna conductividad. Sin embargo, pueden conducir electricidad a temperatura ambiente y cuando se les somete a luz, voltaje o calor. Los semiconductores son vitales en los dispositivos eléctricos porque regulan cómo, cuándo y dónde fluye la electricidad debido a este estado intermedio entre conductores y aislantes.
Cuando se producen circuitos integrados, los componentes del circuito como transistores y alambres se colocan en la superficie de obleas de cristal de silicio delgado. Posteriormente, se proyecta el patrón del circuito mediante la técnica de fotolitografía en la película delgada del componente, que está recubierta con un material fotoresistente.
Como resultado, se forma una sola capa de circuito, con transistores en la parte inferior. El paso se repite con muchos circuitos construidos uno encima de otro y la base semiconductor.
Casi todos los dispositivos electrónicos dependen de la producción de semiconductores para su hardware básico. Se utiliza para amplificación de energía, conmutación, conversión de energía y sensores, entre otras funciones.
Los siguientes son ejemplos de productos y componentes estándar basados en semiconductores:
Los materiales semiconductores son significativos para todas las principales empresas, ya que son componentes críticos del equipo electrónico. Más de cien mil millones de semiconductores se utilizan cada día en todo el mundo. Las siguientes industrias dependen especialmente de los materiales semiconductores:
El mercado de los semiconductores es bastante estable porque los dispositivos electrónicos se utilizan prácticamente en todas las áreas industriales. Los materiales necesarios para la producción temprana de empaques semiconductores van desde silicio y cerámica económicos hasta metales preciosos de tierras raras.
Aunque algunos materiales semiconductores son tanto económicos como abundantes - el silicio es un ejemplo obvio -, las ETR utilizadas en la fabricación de dieléctricos altos y el pulido químico/mecánico pueden ser caras.
El valor de las ETR se ve afectado por varias cosas. Separar las ETR de la roca es un proceso lento y costoso que implica cientos de pasos para eliminar y purificar el producto final.
Muchas empresas mineras han optado por no perseguir beneficios con las ETR debido a las dificultades para obtenerlas a partir de minerales brutos. China es uno de los pocos países que se enfoca en la minería y procesamiento de ETR, proporcionando el 85% del suministro mundial de tungsteno y molibdeno.
Debido al monopolio de China sobre la producción de ETR, puede controlar los precios y utilizar el lucrativo material semiconductor como herramienta política.
El reciclaje y la recuperación de valiosas ETR y otros químicos son opciones viables, dada la importancia de algunos materiales semiconductores. En cuanto a productos semiconductores de gran escala como catalizadores automotrices, celdas solares e imanes de turbinas eólicas, el reciclaje de ETR es actualmente el más exitoso. Las baterías también se pueden recuperar para obtener ETR.
Dado la cantidad limitada de material recuperado de ciertos productos, como teléfonos móviles, el reciclaje de pequeños materiales semiconductores representa un desafío económico. El reciclaje de materiales semiconductores conlleva costos ambientales: genera una gran cantidad de residuos y emite muchos químicos dañinos. Muchos productos semiconductores descartados terminan en operaciones de reciclaje de residuos electrónicos en países en desarrollo, infames por la explotación del trabajo infantil, lo que plantea preocupaciones éticas.
El método más simple para reducir los costos de las ETR es que países distintos de China comiencen a extraer y refinar sus propias reservas de ETR. Sin embargo, como se señala en Communications of the ACM, esto requiere la voluntad de invertir en el desarrollo de métodos de extracción, minería rentable y refinería.
Se debe disponer de información sobre los materiales semiconductores al desarrollar circuitos integrados y dispositivos electrónicos. El material semiconductor debe diferenciarse en cuanto a diferentes propiedades como eléctricas, ópticas y térmicas antes de comenzar el proceso de producción.
El tipo de movilidad, conductividad, resistividad, concentración y vida útil de los portadores son características esenciales. El coeficiente de absorción de luz, el hueco energético de los semiconductores, el índice de refracción y el coeficiente de ionización por impacto son otros factores adicionales.
Las aplicaciones de los materiales semiconductores incluyen lo siguiente:
Los materiales semiconductores se utilizan para fabricar muchos componentes electrónicos modernos. La conductividad eléctrica de un material semiconductor está a mitad de camino entre un buen conductor como el cobre y un excelente aislante como el vidrio, de ahí su nombre.
Un semiconductor, por otro lado, puede actuar como conductor o como aislante dependiendo de las condiciones eléctricas. Las notables características eléctricas de los semiconductores se utilizan en la mayoría de la electrónica moderna.
Los materiales semiconductores tienen una estructura molecular habitual conocida como red, lo que resulta en pares de enlaces fuertes de electrones de valencia entre átomos vecinos en la red, sólida, resultando en un material cristalino duradero. La electrónica de estado sólido se diferencia de la electrónica termiónica más antigua que utiliza tubos de vacío y otras tecnologías. El germanio (Ge) y el silicio (Si) son dos materiales semiconductores comunes.
Los semiconductores se fabrican puros pero con pequeñas porciones de impurezas precisamente añadidas de otros elementos o compuestos llamados dopantes cuando se fabrican componentes electrónicos.
Este artículo trata sobre los materiales semiconductores, sus tipos y aplicaciones en general. Sabemos que existen diferentes materiales semiconductores, pero el silicio (Si) es el más utilizado en lugar del germanio en varias aplicaciones electrónicas y semiconductores. Esto se debe a que la brecha de energía de Si es de 0.7eV, la producción de pares térmicos es menor, el Si está fácilmente disponible en la naturaleza, produce menos ruido y la formación de SiO2 es simple. Como resultado, el silicio se utiliza para fabricar una variedad de componentes electrónicos como interruptores, resistencias, capacitores, diodos, transistores y otros componentes utilizados en varios circuitos.
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