Un semiconductor es un elemento que se comporta o bien como un conductor o bien como un aislante dependiendo de diversos factores, por ejemplo: el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre. Los elementos químicos semiconductores de la tabla periódica se indican en la tabla adjunta. thumb|200px|Silicio purificado, un semiconductor Elemento Grupo Electrones de la última capa Cd 12 2 Al, Ga, B, In 13 3 Si, C, Ge 14 4 P, As, Sb 15 5 Se, Te, (S) 16 6
El elemento semiconductor más usado es el silicio, seguido del germanio, aunque presentan un idéntico comportamiento las combinaciones de elementos de los grupos 12 y 13 con los de los grupos 16 y 15 respectivamente (galio-arsénico, fósforo-indio, arsénico-galio-aluminio, telurio-cadmio, selenio-cadmio y azufre-cadmio). Posteriormente se ha comenzado a emplear también el azufre. La característica común a todos ellos es que son tetravalentes, teniendo el silicio una configuración electrónica s2p2.
Los dispositivos semiconductores pueden presentar una serie de propiedades útiles, como pasar la corriente más fácilmente en una dirección que en otra, mostrar una resistencia variable y ser sensibles a la luz o al calor. Dado que las propiedades eléctricas de un material semiconductor pueden modificarse mediante el dopaje o la aplicación de campos eléctricos o luz, los dispositivos fabricados con semiconductores pueden utilizarse para la amplificación, la conmutación y la conversión de energía.
La conductividad del silicio se aumenta añadiendo una pequeña cantidad (del orden de 1 a 108) de átomos pentavalentes (antimonio, fósforo o arsénico) o trivalentes (boro, galio, indio). Este proceso se conoce como dopaje y los semiconductores resultantes se conocen como semiconductores dopados o extrínsecos. Aparte del dopaje, la conductividad de un semiconductor puede mejorarse aumentando su temperatura. Esto es contrario al comportamiento de un metal en el que la conductividad disminuye con el aumento de la temperatura.
La comprensión moderna de las propiedades de un semiconductor se basa en la física cuántica para explicar el movimiento de los portadores de carga en una red cristalina. El dopaje aumenta en gran medida el número de portadores de carga dentro del cristal. Cuando un semiconductor dopado contiene huecos libres se denomina tipo p, y cuando contiene electrones libres se conoce como tipo n. Los materiales semiconductores utilizados en los dispositivos electrónicos se dopan en condiciones precisas para controlar la concentración y las regiones de los dopantes de tipo p y n. Un solo cristal de dispositivo semiconductor puede tener muchas regiones de tipo p y n; las uniones p-n entre estas regiones son las responsables del comportamiento electrónico útil. Utilizando una sonda de punto caliente, se puede determinar rápidamente si una muestra de semiconductor es de tipo p o n.
Algunas de las propiedades de los materiales semiconductores se observaron a mediados del y en las primeras décadas del . La primera aplicación práctica de los semiconductores en electrónica fue el desarrollo en 1904 del detector de bigotes de gato, un primitivo diodo semiconductor utilizado en los primeros receptores de radio. Los avances de la física cuántica condujeron a su vez a la invención del transistor en 1947, el circuito integrado en 1958 y el MOSFET (transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor) en 1959. Información general
Los materiales semiconductores provienen de diferentes grupos de la tabla periódica, sin embargo, comparten ciertas similitudes. Las propiedades del material semiconductor están relacionados con sus características atómicas, y cambian de un grupo a otro. Los investigadores y los diseñadores se aprovechan de estas diferencias para mejorar el diseño y elegir el material óptimo para una aplicación PV.
Historia de los semiconductores Los semiconductores reemplazaron a los tradicionales tubos eléctricos en la industria desde mediados del , gracias a qué estos presentaban muchas mejoras, tales como la minimización de tamaño, consumo de energía y costo, así como la maximización de la durabilidad y confiabilidad; lo que significó una revolución en el sector de la electrónica y la informática.
En 1782 el término semiconductor fue utilizado por primera vez por Alessandro Volta, y la primera observación documentada sobre el efecto producido por los semiconductores fue la de Michael Faraday en el año de 1833, quien notó que el sulfuro de plata disminuía su resistencia si la temperatura bajaba, a diferencia de lo que se había observado en los metales. Sobre esto se publicó un extenso análisis en 1851, en donde se hablaba de la dependencia de la conductividad eléctrica del sulfuro de plata y el sulfuro de cobre(I).
En 1878 Edwin Herbert Hall descubrió que los portadores de carga eléctrica en sólidos son desviados del campo magnético, este fenómeno fue conocido con el nombre de efecto Hall, y fue utilizado posteriormente para estudiar las propiedades de los semiconductores.
Unos años después del descubrimiento de Hall, en 1905, otro físico, John Ambrose Fleming se sumergió en la búsqueda de un detector de señales eléctricas y desarrolló el diodo de vacío, lo que se conoce hoy en día como el primer dispositivo electrónico. Poco tiempo después, más específicamente en 1907 Lee de Forest inventó el triodo, un dispositivo que no solo detectaba señales eléctricas, sino que también era capaz de amplificar señales tan solo añadiendo un tercer electrodo a la válvula.
Hacia 1915 aproximadamente se comienza a usar el cristal de galena como detector de señales, y a principios de los años 20 se empiezan a utilizar los rectificadores de selenio y de óxido de cobre y a su vez, las válvulas de radio sustituyen el detector de cristal.
Entre 1920 y 1940, por un lado se desarrolla el tetrodo y el pentodo, y los físicos elaboran teorías que explican algunos de los fenómenos descubiertos hasta entonces.
En 1923 el físico alemán Walter H. Schottky publica la teoría de los rectificadores secos, esta es la primera contribución al estudio teórico de los semiconductores. En esta teoría se aprecia que el uso de la mecánica cuántica resulta indispensable.
En 1928 Vladimir Zworykin desarrolla un dispositivo capaz de transformar una imagen óptica en una corriente eléctrica: el iconoscopio. Poco después este tubo sufre modificaciones y así se obtiene el tubo disector de imagen, en el cual la imagen se consigue a base de presentarla línea a línea en lugar de punto a punto. En 1945 la televisión se empieza a comerciar en Norteamérica.
La industria electrónica se desarrolla vertiginosamente y surgen técnicas de miniaturización y empleo de materiales robustos y ligeros en los dispositivos electrónicos.
En 1947 John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley, elaboraron el primer transistor, el cual estaba constituido de germanio con algunos contactos eléctricos sobrepuestos, el cual mejoró el funcionamiento de la válvula termoiónica usada como instrumento de control, amplificación y generación de señales electrónicas, gracias a estos aportes fueron acreedores al Premio Nobel en el año 1956.
Propiedades Conductividad eléctrica variable Los semiconductores en su estado natural son malos conductores porque una corriente requiere el flujo de electrones, y los semiconductores tienen sus bandas de valencia llenas, impidiendo todo el flujo de nuevos electrones. Varias técnicas desarrolladas permiten que los materiales semiconductores se comporten como materiales conductores, como el dopaje o el gating. Estas modificaciones tienen dos resultados: tipo n y tipo p. Se refieren al exceso o a la escasez de electrones, respectivamente. Un número desequilibrado de electrones provocaría el paso de una corriente a través del material.
Heterouniones Las heterouniones se producen cuando se unen dos materiales semiconductores con dopaje diferente. Por ejemplo, una configuración podría consistir en germanio dopado con p y dopado con n. Esto da lugar a un intercambio de electrones y huecos entre los materiales semiconductores con diferentes dopajes. El germanio dopado con n tendría un exceso de electrones y el germanio dopado con p tendría un exceso de huecos. La transferencia se produce hasta que se alcanza un equilibrio mediante un proceso llamado recombinación, que hace que los electrones que migran del tipo n entren en contacto con los huecos que migran del tipo p. El resultado de este proceso es una estrecha franja de iones inmóviles, que provoca un campo eléctrico a través de la unión.
Electrones excitados Una diferencia de potencial eléctrico en un material semiconductor hace que éste abandone el equilibrio térmico y cree una situación de no equilibrio. Esto introduce electrones y huecos en el sistema, que interactúan mediante un proceso llamado difusión ambipolar. Siempre que se altera el equilibrio térmico en un material semiconductor, cambia el número de huecos y electrones. Estas alteraciones pueden producirse como resultado de una diferencia de temperatura o de fotones, que pueden entrar en el sistema y crear electrones y huecos. El proceso de creación y aniquilación de electrones y huecos se denomina generación y recombinación, respectivamente.
Emisión de luz En ciertos semiconductores, los electrones excitados pueden relajarse emitiendo luz en lugar de producir calor. Estos semiconductores se utilizan en la construcción de diodos emisores de luz y puntos cuánticos fluorescentes.
Alta conductividad térmica Los semiconductores con alta conductividad térmica pueden utilizarse para disipar el calor y mejorar la gestión térmica de la electrónica.
Conversión de energía térmica Los semiconductores tienen grandes factores de potencia termoeléctrica que los hacen útiles en los generadores termoeléctricos, así como altas figuras de mérito termoeléctricas que los hacen útiles en los refrigeradores termoeléctricos. Física de los semiconductores Bandas de energía y conducción eléctrica
Las diferencias entre los distintos materiales pueden entenderse en términos de los estados cuánticos de los electrones, cada uno de los cuales puede contener cero o un electrón, por el principio de exclusión de Pauli. Estos estados están asociados a la estructura de banda electrónica del material. La conductividad eléctrica surge debido a la presencia de electrones en estados deslocalizados que se extienden por el material, sin embargo, para transportar electrones un estado debe estar parcialmente lleno, conteniendo un electrón solo una parte del tiempo.As in the Mott formula for conductivity, see Si el estado está siempre ocupado con un electrón, entonces es inerte, bloqueando el paso de otros electrones a través de ese estado. Las energías de estos estados cuánticos son críticas, ya que un estado está parcialmente ocupado solo si su energía está cerca del nivel de Fermi.
La alta conductividad de un material se debe a que tiene muchos estados parcialmente llenos y mucha deslocalización de estados. Los metales son buenos conductores eléctricos y tienen muchos estados parcialmente llenos con energías cercanas a su nivel de Fermi. Los aislantes, por el contrario, tienen pocos estados parcialmente llenos, sus niveles de Fermi se sitúan dentro de huecos de banda con pocos estados de energía que ocupar. Charles Kittel (1995) Introduction to Solid State Physics, 7th ed. Wiley, .
Para los semiconductores son interesantes las energías de los electrones de valencia (los más exteriores y más afectados por la proximidad de otros átomos cuando forman un sólido), pero no en el caso de un átomo aislado, sino cuando estos átomos forman un sólido. El cálculo de estas energías así como el desglose de los niveles energéticos de los átomos aislados en bandas de energía cuando estos átomos forman un sólido, es competencia de la Mecánica Cuántica.