Continuando con la charla de la semana pasada sobre la importancia que han tenido los semiconductores en la sociedad y en los avances tecnológicos, en esta ocasión hablaremos del funcionamiento de estos dispositivos desde el punto de vista físico.

Los semiconductores, como los habíamos descrito, son elementos de la tabla periódica ubicados en los grupos III y IV, de los cuales el germanio y el silicio son los más utilizados, en especial éste, porque es el que más abunda en la naturaleza.

El comportamiento electrónico de los materiales que existen en la naturaleza los dividimos en conductores o metales, aislantes o dieléctricos y semiconductores; además, tenemos materiales que se han desarrollado por el hombre que conducen la electricidad sin resistencia alguna, estos materiales son conocidos como, superconductores (hablaremos de ellos en nuestras próximas entregas).

La propiedad física que hace diferente un conductor, un aislante y un semiconductor, es lo que los físicos conocemos como brecha prohibida o gap, esto es, en una manera esquemática, la diferencia energética que existe entre el máximo de la banda de valencia y la mínima de la banda de conducción. En los metales esta banda energética es cero, en los aislantes es de varios electron-volts (eV), mientras en los semiconductores esta brecha es mayor que cero, pero menor a la de los aislantes; por ejemplo, a temperatura ambiente la banda prohibida para el cobre es cero, para el silicio es 1.1eV, para el germanio es 0.66 eV y para el diamante es de 5.5eV.

Uno de los aspectos de la ingeniería-física de los semiconductores es la de modular el ancho de la brecha prohibida para poder así controlar las propiedades electrónicas de los mismos y usarlos en los diferentes dispositivos electrónicos de acuerdo a su aplicación. Esta modulación del ancho del gap se realiza dopando los semiconductores base, con materiales de diferente valencia logrando así tener portadores de carga mayoritariamente, ya sea negativos (exceso de electrones) o positivos (exceso de huecos); en la literatura a estos materiales se les conoce como materiales tipo N y tipo P, respectivamente.

Además de esta nomenclatura, a los semiconductores también se les caracteriza por el alineamiento de sus bandas de energía, a las cuales se les llama semiconductores de gap directo y semiconductores de gap indirecto, por ejemplo, el arsenurio de galio es de gap directo al igual que el germanio y el silicio es de gap indirecto.

Esta propiedad de gap directo e indirecto es otra manera de modular las propiedades electrónicas y así tener diversas aplicaciones. La diferencia fundamental entre los semiconductores de gap directo e indirecto es la manera en que los electrones viajan de la banda de valencia a la banda de conducción; en los de gap directo, el electrón solo necesita ganar energía igual al ancho de la banda prohibida para pasar de la banda de valencia a la banda de conducción; en cambio, en los semiconductores de gap indirecto además del proceso anterior, es necesario cambiar el vector de onda del electrón.

El poder controlar todas estas propiedades de manera muy precisa es lo que nos ha permitido tener todos los dispositivos electrónicos que usamos en la vida diaria.

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