Dispositivo semiconductor, componente de circuito electrónico hecho de un material que no es ni un buen conductor ni un buen aislante (por lo tanto, semiconductor). Dichos dispositivos han encontrado amplias aplicaciones debido a su compacidad, confiabilidad y bajo costo. Como componentes discretos, han encontrado uso en dispositivos de potencia, sensores ópticos y emisores de luz, incluidos láseres de estado sólido. Tienen una amplia gama de capacidades de manejo de corriente y voltaje, con clasificaciones de corriente de unos pocos nanoamperios (10 −9amperios) a más de 5,000 amperios y clasificaciones de voltaje que se extienden por encima de 100,000 voltios. Más importante aún, los dispositivos semiconductores se prestan a la integración en circuitos microelectrónicos complejos pero fácilmente fabricables. Son, y serán en el futuro previsible, los elementos clave para la mayoría de los sistemas electrónicos, incluidos los equipos de comunicaciones, consumo, procesamiento de datos y control industrial.
Principios de semiconductores y unión
Materiales semiconductores
Los materiales de estado sólido se agrupan comúnmente en tres clases: aislantes, semiconductores y conductores. (A bajas temperaturas, algunos conductores, semiconductores y aislantes pueden convertirse en superconductores). La Figura 1 muestra las conductividades σ (y las resistividades correspondientes ρ = 1 / σ) que están asociadas con algunos materiales importantes en cada una de las tres clases. Los aislantes, como el cuarzo fundido y el vidrio, tienen conductividades muy bajas, del orden de 10-18 a 10-10 siemens por centímetro; y los conductores, como el aluminio, tienen altas conductividades, típicamente de 10 4 a 10 6 siemens por centímetro. Las conductividades de los semiconductores se encuentran entre estos extremos.
La conductividad de un semiconductor es generalmente sensible a la temperatura, la iluminación, los campos magnéticos y pequeñas cantidades de átomos de impurezas. Por ejemplo, la adición de menos del 0.01 por ciento de un tipo particular de impureza puede aumentar la conductividad eléctrica de un semiconductor en cuatro o más órdenes de magnitud (es decir, 10,000 veces). Los rangos de conductividad de semiconductores debido a átomos de impurezas para cinco semiconductores comunes se dan en la Figura 1.
El estudio de los materiales semiconductores comenzó a principios del siglo XIX. Con los años, se han investigado muchos semiconductores. La tabla muestra una parte de la tabla periódica relacionada con semiconductores. Los semiconductores elementales son aquellos compuestos de especies únicas de átomos, como silicio (Si), germanio (Ge) y estaño gris (Sn) en la columna IV y selenio (Se) y teluro (Te) en la columna VI. Sin embargo, existen numerosos semiconductores compuestos que se componen de dos o más elementos. El arseniuro de galio (GaAs), por ejemplo, es un compuesto binario III-V, que es una combinación de galio (Ga) de la columna III y arsénico (As) de la columna V.
Parte de la tabla periódica de elementos relacionados con semiconductores.
| período | columna | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| II | III | IV | V | VI | |
| 2 | boro
B |
carbono
C |
nitrógeno
N |
||
| 3 | magnesio
Mg |
aluminio
Al |
silicio
Si |
fósforo
P |
azufre
S |
| 4 4 | zinc
Zn |
galio
Ga |
germanio
Ge |
arsénico
como |
selenio
Se |
| 5 5 |
Cd de cadmio |
indio
en |
estaño
Sn |
antimonio
Sb |
telurio
Te |
| 6 6 | mercurio
Hg |
plomo
Pb |
|||
Los compuestos ternarios pueden estar formados por elementos de tres columnas diferentes, como, por ejemplo, teluro de mercurio e indio (HgIn 2 Te 4), un compuesto II-III-VI. También pueden estar formados por elementos de dos columnas, como el arseniuro de aluminio y galio (Al x Ga 1 - x As), que es un compuesto ternario III-V, donde Al y Ga son de la columna III y el subíndice x está relacionado a la composición de los dos elementos desde 100 por ciento Al (x = 1) hasta 100 por ciento Ga (x = 0). El silicio puro es el material más importante para la aplicación de circuitos integrados, y los compuestos binarios y ternarios III-V son los más importantes para la emisión de luz.
Antes de la invención del transistor bipolar en 1947, los semiconductores se usaban solo como dispositivos de dos terminales, como rectificadores y fotodiodos. A principios de la década de 1950, el germanio era el principal material semiconductor. Sin embargo, resultó inadecuado para muchas aplicaciones, porque los dispositivos hechos del material exhibieron altas corrientes de fuga a temperaturas moderadamente elevadas. Desde principios de la década de 1960, el silicio se ha convertido en un sustituto práctico, prácticamente suplantando al germanio como material para la fabricación de semiconductores. Las razones principales para esto son dobles: (1) los dispositivos de silicio exhiben corrientes de fuga mucho más bajas, y (2) el dióxido de silicio de alta calidad (SiO 2), que es un aislante, es fácil de producir. La tecnología de silicio es ahora la más avanzada entre todas las tecnologías de semiconductores, y los dispositivos basados en silicio constituyen más del 95 por ciento de todo el hardware de semiconductores vendido en todo el mundo.
Muchos de los semiconductores compuestos tienen propiedades eléctricas y ópticas ausentes en el silicio. Estos semiconductores, especialmente arseniuro de galio, se utilizan principalmente para aplicaciones de alta velocidad y optoelectrónicas.
