¿Qué es un material semiconductor? - Materiales conductores o no según las circunstancias

Qué es un material semiconductor

La tecnología que hoy existe es gracias a los aportes y los avances que se han tenido y se siguen teniendo en física. Gracias a esto, los sistemas de telemática, domótica y comunicaciones que hay en todo el mundo son posible y eficientes en comparación con hace unas décadas. Pero ¿Te has preguntado cómo es posible que el tamaño, la potencia y la precisión de los dispositivos y sistemas actuales sea posible?

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La respuesta corta a esta pregunta, se debe en gran parte al desarrollo de semiconductores. Pequeños componentes informáticos que tienen una utilidad increíble en muchísimos campos científicos y tecnológicos. La respuesta larga, en breve te la detallaremos a fin de que conozcas cuáles son las propiedades de estos componentes y los materiales que se emplean para su fabricación.

Índice()
  1. Definición de semiconductor
  2. ¿Un semiconductor conduce o no electricidad?
  3. ¿Para qué sirven los semiconductores?
  4. ¿Cómo se clasifican los semiconductores?
  5. ¿Qué tipos de semiconductores existen?
    1. Semiconductores intrínsecos
    2. Semiconductores extrínsecos
  6. ¿Cuáles son las características de los semiconductores?
  7. ¿En qué pueden usarse los semiconductores?
    1. Transistores
    2. Circuitos integrados
    3. Diodos eléctricos

Definición de semiconductor

Son materiales y/o componentes que tienen doble función. Por una parte, actúan como materiales conductores, es decir, que, bajo ciertas condiciones, tienen la capacidad de permitir el paso de la corriente como si de un material conductor se tratara. Por otro lado, también pueden actuar como un material aislante, por lo que la resistividad ante la corriente eléctrica es muy alta y no existe conductividad eléctrica. Así que respondiente al qué es un semiconductor, son todos aquellos componentes que tienen o no la capacidad de permitir el paso de los electrones.

Por lo general, suelen ser materiales que están hechos artificialmente, sin embargo, en la naturaleza se puede encontrar elementos que cuentan con estas propiedades aislantes y conductoras de la electricidad. Tal es el caso del silicio y del germanio, cuyo uso están enfocados más al sector industrial. Claro, no son los únicos, puesto que también están el azufre, el boro o el cadmio, que también son elementos semiconductores, aunque su uso no es tan amplio como los dos antes mencionados.

Gracias a esta particularidad, los semiconductores son utilizados principalmente en la totalidad de los dispositivos electrónicos que existen hasta la fecha. De hecho, su implementación ha permitido tener una mayor eficiencia, reducir los costos de producción y también, hacer más pequeños dispositivos y equipos que anteriormente, ocupaban mucho espacio o tenían grandes dimensiones.

¿Un semiconductor conduce o no electricidad?

La respuesta ante esta pregunta no es sí o no, sino más bien que depende de la situación. Es decir, que todos los semiconductores cuentan con propiedades eléctricas similares, habrá variaciones, pero dependerá de si está en un estado puro y los materiales utilizados. Teniendo esto en cuenta, todo semiconductor tiene la capacidad de permitir el paso de la corriente o aumentar la resistividad a la misma. Pero ¿Cómo es que hace esto algo tan pequeño?

Existen diversos factores que influyen en este proceso que ocurre relativamente rápido. Sin embargo, factores como las impurezas y los materiales utilizados influyen mucho en el paso de la corriente. Es por esta razón que, en física, existen semiconductores de tipo P y de tipo N. Mientras que el primero cuenta con cargas positivas, el segundo tiene cargas negativas. Esto dependerá mucho del tipo de impureza que tenga el semiconductor. Por ejemplo, los semiconductores que cuentan con aluminio como impurezas permiten la creación de componentes con cargas negativas.

Mientras que aquellos que cuentan con fósforo como impureza, están cargados positivamente. Ahora bien, por leyes básicas de la física, sabemos que los polos con igual carga se repelen, mientras que los opuestos se atraen. ¿Qué te queremos decir esto? Sí conectamos el polo negativo de un semiconductor con otro que posee carga positiva, existirá una atracción entre estos y, por lo tanto, será posible la transferencia de energía. En otras palabras, el paso de la corriente eléctrica será posible.

Con esto queremos decir que para que un semiconductor se comporte como un material conductor de la electricidad, tiene que haber polos opuestos en su constitución interna. Con esta misma analogía, podemos decir que cuando un semiconductor se comporta como un material sin conductividad eléctrica, es porque su polarización en ambos extremos es la misma y por ende, no permite la transferencia de electrones.

¿Para qué sirven los semiconductores?

Son diversas las áreas en las que se puede aplicar y darles utilidad a los semiconductores, todo dependerá del metal o material que se utilice. No todos los componentes de este tipo generan el mismo campo eléctrico o cuentan con las mismas propiedades. Por ello, algunas de las aplicaciones más notables son las siguientes:

  1. Electrónica para el consumo

Esto abarca cada uno de los dispositivos móviles, digitales y electrónicos que existen actualmente en el mercado mundial. Desde algo tan sencillo como unos audífonos o reloj inteligente, hasta algo más complejo y grande como un Smart TV o partes de un equipo sofisticado de estudio. Por lo tanto, todo teléfono móvil, computadora, consolas de videojuegos, sistemas de videovigilancia, herramientas de estudios científicos, equipos de medición y demás, cuentan con semiconductores integrados.

Por ende, la constante producción de semiconductores cada vez es mayor a fin de satisfacer la demanda del mercado tecnológico. Claro, que fabricantes y empresas pioneras en la tecnología innovan a fin de conseguir un semiconductor que haga más eficiente el sistema electrónico de algo más complejo.

  1. Sistemas incrustados

Verás, todo sistema de GPS, sistemas telemáticos, domótica, o cualquier otro que te permita la gestión de componentes y equipos electrónicos, cuentan con semiconductores en su constitución. Un rastreador fitness por más sencillo que este sea, contará con semiconductores que, en conjunto con otros componentes, te darán una lectura precisa.

Los sistemas embebidos son pequeños ordenadores que forman parte de una máquina más grande. Pueden controlar el dispositivo y permitir la interacción del usuario. Los sistemas integrados que utilizamos comúnmente incluyen sistemas de calefacción central, relojes digitales, sistemas GPS, rastreadores de fitness, televisores y sistemas de gestión de motores en vehículos.

¿Cómo se clasifican los semiconductores?

Los semiconductores se caracterizan por ser capaces de conducir la electricidad cuando se le somete a una temperatura superior a la ambiental. Sin embargo, no son tan eficientes o eficaces como un conductor metálico. Por otro lado, funcionan mejor que los aislantes convencionales siempre que la temperatura a la que es sometida el semiconductor es a temperatura ambiente o menor a la misma.

En cuanto a las categorías utilizadas para clasificar a los semiconductores, tenemos dos:

  • Semiconductores de tipo N.
  • Semiconductores de tipo P.

Esto quiere decir que habrá componentes de este tipo con diferentes polarizaciones que variarán según la aplicación que se le quiera dar. Además, están estrechamente vinculados al tipo de dopaje que se le emplee. Es decir, que existen semiconductores con distintos tipos de dopajes e impurezas, dependiendo del elemento que se utilice, el semiconductor contará con impurezas pentavalentes o trivalentes.

Por una parte, tenemos las impurezas pentavalentes, las cuales cuentan con átomos que poseen 5 electrones de valencia en sus orbitales. Ejemplo de estos pueden ser el fósforo o el arsénico. Por otro lado, están los semiconductores con impurezas trivalentes, los cuales poseen solo 3 átomos en sus orbitales. En esta categoría, se encuentran elementos como el boro, el galio o el indio. Con esto queremos decir que todo componente que se considere semiconductor, puede o no contener impurezas en su constitución. De hecho, esto da lugar al tipo de semiconductores de los cuales, hablaremos en un momento.

¿Qué tipos de semiconductores existen?

Si nos llevamos por la idea de que existen diferentes tipos de resistencias, condensadores y demás componentes eléctricos, podríamos suponer que tal cual sucede con los semiconductores y que existen muchísimos. Sin embargo, solo existen dos tipos de semiconductores y en breve los vamos a detallar por separado.

Semiconductores intrínsecos

Estos se caracterizan por contener o estar formados por un solo átomo, además, son los que no poseen ningún rastro de impurezas en su constitución. Se podría considerar estos componentes como superconductores, puesto que resulta muy fácil obtener una gran conductividad eléctrica, además que se puede controlar con mayor facilidad. De hecho, tienen una particularidad que, si se combinan bien durante su construcción, se pueden emplear para otros fines. De esta manera, no solo tendrías un semiconductor altamente conductor, sino que también puedes obtener un interruptor, un amplificador o en su forma más compleja, crear un dispositivo de almacenamiento.

En cuanto a los elementos más usados para este tipo de semiconductor, se encuentran el germanio y el silicio. En la gran mayoría de los dispositivos electrónicos y móviles celulares, encontrarás semiconductores a base de silicio, puesto que es el elemento que más abunda en la naturaleza, además de tener un excelente rendimiento cuando se les somete a altas temperaturas.

La forma en cómo todo este proceso funciona, relativamente es fácil. Todo está en la cantidad de carga eléctrica a la que se somete el componente. Si el nivel es alto, los electrones del átomo que constituyen al semiconductor ganarán más energía, por lo tanto, serán capaces de funcionar como un conductor eléctrico.

Semiconductores extrínsecos

Contrario al anterior, este no se encuentra en su estado más puro debido a que se introduce y se emplea otros átomos de otros elementos al material original. Es como si tuvieses un vaso de agua pura y quieres añadirle azúcar para hacerlo dulce. Este simple cambio supone una modificación en la pureza del elemento principal. La idea de esto, es que el material resultante gane más propiedades conductivas. De hecho, a este proceso se le conoce como dopaje que ya lo había mencionado.

Ahora bien, el tipo de dopaje resultará en un semiconductor u otro, es decir, que podrás obtener uno de tipo P o conseguir uno de tipo N. Es necesario aplicar la microtecnología actual para obtener un resultado favorable a la hora de producir componentes de alta calidad.

¿Cuáles son las características de los semiconductores?

Su principal característica, es que pueden ser utilizados de dos maneras distintas dependiendo de las condiciones a la que se les sometan. Esto permite tener una mayor eficiencia energética, mientras que, al mismo tiempo, se puede conseguir bajos costos al momento de producirlos en masa. En cuanto a las características más destacadas, podemos mencionar las siguientes:

  1. A bajas temperaturas, el componente eléctrico no deja pasar la corriente, por lo que actúa como un aislante.
  2. Al someterle a una gran cantidad de calor o temperatura (término correcto en física), este permitirá el paso de la corriente eléctrica, ya que se estarán liberando los electrones del átomo usado para el semiconductor.
  3. Estos se comportan de una manera o de otra en función de la sensibilidad que tengan ante un campo eléctrico, a la iluminación o cualquier otra fuente que permite el cambio de temperatura. De hecho, los semiconductores pueden ser sensibles ante los campos magnéticos del ambiente, por lo que se puede utilizar un método como el de inducción magnética para cambiar de un estado a otro.
  4. Que un semiconductor sea más o menos conductivo, dependerá principalmente de los dopantes que se empleen para su constitución. Aunque también pueden ir en función de las impurezas que posea el componente.
  5. En ciertas ocasiones un semiconductor extrínseco puede llegar a tener mejores propiedades eléctricas y ópticas que los de tipo intrínseco.

¿En qué pueden usarse los semiconductores?

En este punto, ya podemos imaginarnos en qué ámbitos o sistemas informáticos y electrónicos se puede emplear los semiconductores. En primera instancia, su uso principal está ligada a la producción en masa de dispositivos electrónicos. Es decir, que todos los dispositivos electrónicos que posean una placa con circuitos integrados y otros componentes similares contarán con cierta cantidad de semiconductores.

Por lo tanto, todo ordenador, sea con arquitectura Windows o Mac OS, todos y cada uno de los teléfonos móviles, tabletas, iPads, auriculares inalámbricos y, además, cuentan con semiconductores. De hecho, estos componentes son tan útiles y necesarios, que su uso se hace indispensable en cualquier campo o sector científico. De tal manera, su empleo permite desarrollar equipos y herramientas digitales con una gran precisión y sensibilidad, lo cual facilita en gran medida la lectura de datos.

Transistores

Es de los semiconductores más empleados actualmente por su utilidad. Grosso modo, su principal función es la de entregar una señal en específico en función de la señal de entrada que el mismo recibe. Es decir, que la señal de salida de un transistor dependerá de su señal de entrada. Esto permite controlar eficazmente el flujo de la corriente eléctrica, de manera que pueden ser empleados como un interruptor o un amplificador de la señal.

En cuanto a los tipos de transistores que hay actualmente, son muchos, pero los que se consideran más importantes son: Transistores BJT, JFET y MOSFET. En cuanto a estos en particular, cada uno cuenta con aplicaciones distintas, entre las cuales podemos mencionar las siguientes:

  • Amplificador. Es como si recibieras 1 A y al pasar por un amplificador, este se puede duplicar.
  • Interruptor. Si se le aplica una corriente eléctrica a la base, el transistor actúa como un interruptor, limitando el paso de la energía. Si no se le aplica nada, entonces funcionará como un interruptor abierto.
  • Mezclador. Estos se ven constituidos por los transistores tipo FET. Con su empleo, se puede conseguir un bajo nivel de distorsión al momento de aplicar la intermodulación. Por tal motivo, son ampliamente utilizados en estaciones de radio y TV.
  • Circuito integrado. Aquí ya existe un nivel lógico y/o cómputo, por lo que ya existe un nivel de procesamiento de datos. La idea es controlar la información en código binario y enviarla hacia otros transistores que pertenecen al mismo circuito.

Circuitos integrados

Todo circuito integrado es complejo en sus constituciones, lo cual permite la capacidad de leer datos. Como dato curioso, estos son componentes complejos que están hechos de otros componentes, como transistores, diodos y resistencias, pero en una escala mucho más pequeña. Es decir, que un circuito integrado es un microchip el cual está hecho con componentes eléctricos tradicionales. En cuanto a sus aplicaciones, podemos mencionar los siguientes:

  1. Se emplean para sistemas de radares y monitoreo
  2. Todos los relojes de pulsera, así como televisores, cuentan con circuitos integrados.
  3. Dispositivos como teléfonos, tabletas, ordenadores y laptops cuentan con muchos de estos.
  4. Todo dispositivo capaz de hacer lecturas de datos posee semiconductores.
  5. Empleados para la codificación y decodificación de señales en radiofrecuencia.

Diodos eléctricos

Estos componentes, que a simple vista pueden parecer sencillos, tienen una función muy importante en todo circuito eléctrico y electrónico. Su principal función, es la de permitir el paso de la corriente en un único sentido según la polarización que tengan.

Cómo citar:
"¿Qué es un material semiconductor? - Materiales conductores o no según las circunstancias". En Quees.com. Disponible en: https://quees.com/material-semicondcutor/. Consultado: 17-06-2024 23:29:23
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