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En este artículo se abordarán, a modo general, las peculiaridades de los materiales semiconductores, comenzando por recordar primeramente las diferencias entre las clasificaciones de los materiales. Posteriormente se hará hincapié en los semiconductores, su clasificación, que los hace diferentes del resto de los materiales y las distintas aplicaciones. La utilización de los semiconductores para fines técnicos marcó el comienzo de la aplicación de estos materiales.
En los inicios del siglo XX comenzaron a utilizarse en radiorreceptores y también como detectores de diodos. El investigador Russell Ohl (1898- 1987), de nacionalidad estadounidense, realizó un descubrimiento importante respecto a los materiales semiconductores, fue un ingeniero con importantes aportaciones a la ciencia. Sus investigaciones se basaron fundamentalmente en los semiconductores, en el comportamiento de algunos tipos de cristales, diodos detectores, entre otros.
El descubrimiento de este ingeniero acerca de los semiconductores en el año 1940 se basa en que, el hecho de añadir pequeñas cantidades de impurezas a determinados cristales, su conductividad eléctrica sufre variaciones una vez que el material se expone a la luz. Este hallazgo contribuyó de manera significativa a las celdas solares o también denominadas celdas fotoeléctricas, de tal manera que Russell ha sido muy reconocido por patentar la célula solar moderna.
Un poco más adelante en el año 1947, un grupo de investigadores construyó el primer dispositivo semiconductor de germanio. Este dispositivo fue nombrado como transistor y hoy por hoy es fundamental en el desarrollo de la electrónica. Las figuras contribuyentes al desarrollo del transistor fueron Walter Houser Brattain, William Shockley y John Bardeen, los tres fueron físicos de nacionalidad estadounidense.
Diferencia entre metales, aislantes y semiconductores
Se puede tomar como referencia el modelo atómico básico para explicar la conductividad en los diferentes materiales. De acuerdo a este modelo, en los materiales conductores sucede que los electrones en la corteza atómica están unidos débilmente, propiciando así que viajen de un átomo a otro fácilmente.
En los materiales aislantes, los electrones están bien unidos y no pueden liberarse y viajar de un átomo a otro en situaciones normales. Por otra parte, están los materiales semiconductores, en los cuales el comportamiento de los electrones es parte como conductores y parte como aislantes, es un comportamiento intermedio, ya que los electrones que viajan libremente son pocos.
Un criterio para la clasificación de los materiales lo constituye también la conductividad eléctrica del material. La conductividad eléctrica, al contrario del concepto de resistencia eléctrica, es la capacidad que tiene un material de transportar electrones o, dicho de otro modo, de permitir el paso de la corriente eléctrica. La conductividad es normalmente dependiente de la temperatura, la frecuencia, así como de la estructura atómica y molecular del material.
Los materiales de alta conductividad son los conductores, destacándose en este grupo los metales y los electrolitos, los de conductividad media son los semiconductores y los de baja conductividad son los aislantes. La conductividad eléctrica se simboliza con la letra griega sigma σ y se mide en siemens por metro (S/m), la conductividad puede medirse también en Ω^(-1)/m. Es importante saber diferenciar los conductores, semiconductores y dieléctricos según su característica de conductividad. Los conductores tienen una conductividad eléctrica tal que σ>>1, los aislantes se caracterizan por σ<<1 y los semiconductores tienen un valor intermedio de σ.
Diferencia entre materiales según la teoría de bandas
Antes se mencionó la diferencia de los materiales conductores, semiconductores y aislantes o dieléctricos, basados en la característica de conductividad que ellos tienen y en el modelo atómico básico. Pero, existe una teoría científica que explica este comportamiento de los materiales y no es más que la denominada teoría de bandas. Los electrones tienen energías permitidas que se agrupan en bandas.
Dentro de las bandas los estados de energía permitida pueden estar ocupados (electrones que tienen la energía permitida) o desocupados (no hay electrones que tengan esa energía). Existe una banda de energía entre las bandas, la cual no contiene estados que un electrón individual pueda ocupar. Un electrón puede saltar de un estado ocupado a otro desocupado. A temperaturas ordinarias, la distribución de la energía interna proporciona la fuente de la energía necesaria para que los electrones salten a estados más elevados.
La teoría de bandas se apoya en las denominadas banda de valencia y la banda de conducción. Los materiales son clasificados de acuerdo a estas dos definiciones. El conjunto de energía que tienen los electrones de valencia constituye la denominada banda de valencia, cuya denominación suele abreviarse como BV.
De otro lado, se denomina banda de conducción al conjunto de energía que poseen los electrones para liberarse de sus átomos y viajar libremente por la estructura atómica, denominación suele abreviarse como BC. Si se aplica un voltaje, esta tensión estimula a los electrones que se encuentran en la banda de conducción y comienzan a circular por el material. Ya definidas ambas bandas, se hará énfasis en la clasificación de los materiales de acuerdo a ellas.
Materiales semiconductores
Como se ha mencionado, los semiconductores tienen un comportamiento intermedio entre los materiales conductores y los dieléctricos o aislantes. Es por ello que no son considerados ni conductores ni aislantes. Una de las propiedades más importantes de los semiconductores muy aplicada en la electrónica es que, bajo unas condiciones específicas, los semiconductores posibilitan la circulación de la corriente eléctrica en un sentido, pero no en el sentido opuesto.
Esta particularidad de los semiconductores es aprovechada para la detección de señales de radio. Lo anterior, para rectificar la corriente alterna, en la amplificación de señales y en las denominadas compuertas en electrónica digital.
La temperatura interna de un semiconductor es un criterio determinante en el comportamiento de su conductividad eléctrica. De modo que, cuando su temperatura aumenta, también lo hace su conductividad eléctrica. Esto, a diferencia de los metales, en los cuales un aumento de temperatura se traduce en una disminución de la conductividad. Lo anterior, ya que lo que aumenta con la temperatura es la resistencia al paso de la corriente eléctrica y se conoce que ambas propiedades; conductividad y resistencia eléctrica son inversamente proporcionales, el aumento de la una significa la disminución de la otra. A continuación, se resumen tres factores que pueden propiciar un aumento de la conductividad eléctrica:
- Aumento de la iluminación del material
- Aumento de la temperatura
- Adición de impurezas a su estructura cristalina
Continuando con los efectos de la temperatura en semiconductores, se puede resumir que a altas temperaturas se comportan como conductores; pero a temperaturas bajas tienen el comportamiento de un aislante o dieléctrico. Esta variación de la conductividad con la disminución o el aumento de la temperatura es producto de los electrones de valencia. Estos, están ligeramente unidos al núcleo del átomo, de manera que al aplicar temperaturas altas abandonan el átomo.
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