Los semiconductores han sido sin dudas unos de los descubrimientos que ha impactado positivamente para el desarrollo del mundo. Los semiconductores se encuentran en los corazones de cualquier dispositivo electrónico que usamos actualmente, así como en los transistores, procesadores y etc. Todo lo que esté computarizado o utilice las ondas de radio dependen de los semiconductores obligatoriamente.
Importancia de los Semiconductores
Hoy en día, la mayoría de los transistores y chips semiconductores se crean con silicio. Un diodo es el componente semiconductor más simple y básico posiblemente, por lo que es un excelente punto de partida si desea comprender el funcionamiento de los semiconductores. En este artículo aprenderás qué es un semiconductor paso a paso, cómo funciona el dopaje y cómo se puede crear un diodo usando semiconductores. Pero primero debemos familiarizarnos y conocer más de cerca al silicio un elemento clave y punto de partida en su construcción.
El silicio es un elemento bastante común y muy abundante en la tierra; es el elemento principal en la arena y el cuarzo. Al buscar el «silicio» en la tabla periódica, se encuentra junto al aluminio(Al) debajo del carbono(C) y por encima del germanio(Ge). El carbono, el silicio y el germanio (también se utilizan para la fabricación de componentes semiconductores) tienen una propiedad única en su estructura electrónica: cada uno tiene 4 electrones en su órbita exterior . Esto les permite formar bonitos cristales. Los 4 electrones forman enlaces covalentes perfectos con cuatro átomos vecinos , creando una red . En el carbono, conocemos la forma cristalina como diamante . En el silicio, la forma cristalina es una sustancia plateada de aspecto metálico.
Cómo Funcionan los Semiconductores
Los metales tienden a ser buenos conductores de la electricidad ya que normalmente tienen «electrones libres» que pueden moverse fácilmente entre los átomos y la electricidad implica el flujo de electrones. Si bien los cristales de silicio parecen ser metálicos, de hecho no son metales. Todos los electrones externos que tenemos en un cristal de silicio están involucrados en enlaces covalentes perfectos, por lo que no pueden moverse. El silicio puro es prácticamente un aislante lo cual provoca que la electricidad no fluirá a través de él.
Pero esta propiedad de aislante se puede cambiar mediante un proceso llamado dopaje. Puede cambiar el comportamiento del silicio y convertirlo en un conductor dopando. En el dopaje: se mezcla con pequeñas cantidades de impurezas en el cristal de silicio.
Tipos de Semiconductores Según el Dopaje:
- Semiconductores de Tipo N: para el dopaje de tipo N, se agrega fósforo o arsénico al silicio en pequeñas cantidades. El fósforo y el arsénico tienen cada uno 5 electrones externos como se muestra en la imagen superior, por lo que están fuera de lugar cuando entran en la red de silicio. El quinto electrón del fósforo no tiene nada a lo que unirse, por lo que es libre de moverse. Solo se necesita una cantidad muy pequeña de la impureza para crear suficientes electrones libres para permitir que una corriente eléctrica fluya a través del silicio. Los electrones tienen carga negativa, de ahí el nombre de tipo N.
- Semiconductores de Tipo P: En el dopaje de tipo P, el dopante que se usa es el boro o el galio también. El boro y el galio tienen cada uno solo 3 electrones externos como se muestra en la imagen superior. Cuando se mezclan con la red de silicio, forman huecos en la red donde un electrón de silicio no tiene nada a lo que unirse. La ausencia de un electrón crea el efecto de una carga positiva, de ahí el nombre de tipo P. Los huecos pueden conducir corriente. Un hueco acepta felizmente un electrón de su vecino, moviendo el hueco sobre un espacio.
- Semiconductores Compuestos: son aquellos que combinan a los elementos del grupo III y V con elementos del grupo II y VI. Por ejemplo, (Ga) con (As), (In) con (P), (In) con (Ga) con (Al) y (P) por poner algunos ejemplos. Estas combinaciones son utilizadas principalmente para los dispositivos de alta frecuencia y para dispositivos ópticos o semiconductores ópticos. Un caso práctico y muy común es la combinación de (In)(Ga)(N) para LED azules y diodos láser. También muy útil el SiC y GaN para lograr semiconductores de potencia. También con más galio que arsénico produce semiconductores tipo p, pero con más arsénico que galio produce semiconductores tipo n.
Una pequeña cantidad de dopaje del tipo N o del tipo P convierte al cristal de silicio que es aislante en un conductor fiable; no en un excelente conductor como lo harían otros metales que son conductores de ahí el nombre de «semiconductor«. El silicio con dopaje de tipo N y de tipo P no son sorprendentes por sí solos; lo sorprendente está cuando los unes, obteniendo un comportamiento muy interesante en el cruce. Este cruce es lo que pasa en un diodo.
Un diodo es el dispositivo semiconductor más simple que hay. Un diodo permite que la corriente fluya en una dirección pero no en la otra. Un ejemplo simple y de referencia es los torniquetes de acceso en los estadios o una estaciones del metro; los cuales permiten que la gente pase en una sola dirección. Un diodo es como un torniquete unidireccional para electrones, solo permitiendo en un sentido el paso de la electricidad.
Semiconductores en Diodos y Transistores
Diodos
Un componente electrónico que bloquea el paso de la corriente en una dirección mientras deja que fluya en otra dirección se conoce como diodo. Los diodos se pueden utilizar de infinidades de formas; pero las más comunes son como rectificadores y de protección. Los dispositivo que usan baterías a menudo contienen diodos para protege el dispositivo de una polarización incorrecta. El diodo simplemente bloquea cualquier corriente para que no salga de la batería si se invierte; esto se hace para proteger a los componentes sensible electrónicos evitando dañarlos.
Cuando tiene polarización inversa , un diodo ideal bloquearía toda la corriente. En un diodo real deja pasar quizás 10 microamperios muy despreciable. Cuando se aplica un alto voltaje inverso (V), puede dañar o romper la unión y deja pasar la corriente o tener fugas. Pero el voltaje de ruptura es mucho más voltaje del que verá el circuito, por lo que es un poco irrelevante.
Cuando está polarizado hacia adelante, hay una pequeña cantidad de voltaje necesaria para que el diodo funcione. En silicio, este voltaje es de aproximadamente 0,4 a 0,7 voltios dependiendo de las características técnicas del tipo de diodo. Este voltaje es necesario para iniciar el proceso de combinación de huecos y electrones en la unión.
Aunque el silicio de tipo N en sí mismo es un conductor y el silicio de tipo P también es otro conductor, la combinación que se muestra en la imagen superior no conduce electricidad. Los electrones negativos en el silicio tipo N son atraídos por el terminal positivo de la batería. Los orificios positivos en el silicio tipo P son atraídos por el terminal negativo de la batería. No fluye corriente a través de la unión porque los huecos y los electrones se mueven en la dirección incorrecta por la polarización.
Si le da la vuelta a la batería , el diodo conduce la electricidad sin problemas. Los electrones libres en el silicio tipo N son repelidos por el terminal negativo de la batería. Los orificios en el silicio tipo P son repelidos por el terminal positivo. En la unión entre el silicio de tipo N y el de tipo P, los huecos y los electrones libres se encuentran. Los electrones llenan los huecos. Estos huecos y electrones libres dejan de existir y surgen nuevos huecos y electrones para ocupar su lugar. El efecto es que la corriente fluye a través de la unión.
Transistores
Un transistor se crea usando tres capas en lugar de las 2 capas que se usan para el diodo. Puede crear una unión NPN o PNP. Para conocer cómo y quién lo inventó puedes ver Historia del Transistor.
Un transistor es como la unión de 2 diodos consecutivos. Imaginaría que no podría fluir corriente a través de un transistor porque los diodos adosados bloquearían la corriente en ambos sentidos, lo cual es correcto. Pero sin embargo, cuando se aplica una pequeña corriente a la capa central de la unión, podrá fluir como resultado una corriente mucho mayor a través del conjunto de uniones. Esto le da a un transistor su comportamiento de conmutación y amplificación. Con una pequeña señal de corriente se puede encender y apagar una corriente mucho mayor. Un chip de silicio es una pieza electrónica que puede contener miles y millones de transistores.
Con los transistores que actúan como interruptores, puede crear puertas booleanas y con las puertas booleanas puede crear chips de microprocesador. La progresión natural del silicio al silicio dopado, de los transistores a los chips, es lo que ha hecho que los microprocesadores y otros dispositivos electrónicos sean tan económicos y de vital importancia para la sociedad actual. Los principios fundamentales son sorprendentemente simples. El milagro es el refinamiento constante de esos principios hasta el punto en que, en la actualidad, decenas de millones de transistores se pueden formar a bajo costo en un solo chip.