Dispositivos electrónicos 1: Materiales semiconductores
Éste es el primero de una serie de artículos sobre el estudio de los fundamentos físicos de los materiales semiconductores. La periodicidad y cantidad de los mismos es imprevisible, y quizá vayan arreglándose sobre la marcha. La recopilación de las fuentes de información que emplearé (que serán numerosas) es una tarea útil y bien valorada pero que por aburrida dejaré para el final. De todos modos lo aqui tratado es de dominio público y hay mucho material disponible sobre el tema. Ésta es sólo mi versión de la historia, construída con recortes de aquí y de allá, aportando por supuesto algo de mi parte. Huiré del rigor matemático siempre que sea posible, pues las ecuaciones complejas abundan y a la mayoría no nos dicen nada hasta que llega el momento de utilizarlas, no son intuitivas como para aportar algo a nuestra comprensión del asunto. Es evidente que en muchos de los todos los casos estos artículos son un "resúmen del resúmen" pues podríamos cavar muy hondo, tratando de buscar una explicación para cada término mencionado. Llegará un momento en que por desesperación ante la inquietante comlejidad de algunos puntos de nuestra empresa apliquemos la filosofía de Neumann a la misma física: « uno no entiende las cosas, se acostumbra a ellas. » A no ser que te examinen de ello, lo aquí expuesto debería ser suficiente para comenzar a entender algo más sobre el funcionamiento de los aparatos electrónicos que te rodean.
Se emplean términos que no siempre es posible esquivar. Aparecerán así, de repente, pues una introducción con todas las abreviaturas de magnitudes, fuera de contexto no tiene mucho sentido. Trataré de presentarlas conforme avance el texto.
Cualquier corrección o apunte es bienvenido.
1. Introducción
Los cuerpos sólidos están formados por átomos densamente empaquetados con intensas fuerzas de interacción entre ellos, que son responsables de las propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas, magnéticas y ópticas de los sólidos.
Una característica importante de los sólidos es su estructura cristalina. Los átomos están distribuidos en posiciones que se repiten regularmente de manera geométrica. La distribución específica de los átomos se debe a una variada gama de fuerzas. Por ejemplo, algunos sólidos como el cloruro de sodio o sal común se mantienen unidos por enlaces iónicos debidos a la interacción electrostática entre los iones que componen el material. En otros, como el diamante, los átomos comparten electrones, lo que da lugar a los llamados enlaces covalentes.
Las sustancias inertes, como el neón, no presentan ninguno de esos enlaces. Su existencia es el resultado de unas fuerzas de atracción conocidas como fuerzas de Van der Waals, así llamadas en honor al físico holandés Johannes Diderik van der Waals. Estas fuerzas aparecen entre moléculas o átomos neutros como resultado de la polarización eléctrica. Los metales, por su parte, se mantienen unidos por lo que se conoce como gas electrónico, formado por electrones libres de la capa atómica externa compartidos por todos los átomos del metal y que definen la mayoría de sus propiedades.
2. Los materiales semiconductores
Son materiales de conductividad intermedia entre la de los metales y la de los aislantes, que se modifica en gran medida por la temperatura, la excitación óptica y las impurezas. Materiales representativos son el germanio y el omnipresente silicio.
La conductividad eléctrica es la capacidad de un cuerpo de permitir el paso de la corriente eléctrica a través de sí. También es definida como la propiedad natural característica de cada cuerpo que representa la facilidad con la que los electrones (y huecos en el caso de los semiconductores) pueden moverse por él. Varía con la temperatura. Es una de las características más importantes de los materiales.
La conductividad eléctrica es la inversa de la resistividad y su unidad es el siemens por metro.
A 0º Kelvin, tanto los aislantes como los semiconductores no conducen, ya que ningún electrón tiene energía suficiente para pasar de la banda de valencia a la de conducción.
A 300º Kelvin (temperatura ambiente), algunos electrones de los semiconductores alcanzan este nivel.
La conductividad eléctrica de los semiconductores aumenta al aumentar la temperatura.
La conductividad eléctrica de los metales disminuye al aumentar la temperatura.
En algunos materiales la resistencia llega a desaparecer cuando la temperatura baja lo suficiente. En este caso se habla de superconductores.
Del por qué de estas cosas hablaremos más adelante.
2.1. Semiconductores intrínsecos
- No hay ninguna impureza en la red cristalina.
Hay igual concentración de electrones (n) que de huecos (p): n=p. Entonces a la concentración de portadores se le llama simplemente concentración intrínseca, ni.
2.2. Semiconductores extrínsecos
Mediante un proceso denominado dopado, se puede alterar significativamente la concentración de portadores de carga eléctrica (electrones y huecos) de un semiconductor. Es un tema que trataremos más adelante.
Nótese que es importante que en el semiconductor haya sólo lo que nosotros queramos que haya. Una pequeña cantidad de impurezas de elementos no deseados puede dar al traste con nuestro objetivo, pues se producirían tantas recombinaciones y tan rápidamente (quedan por abordar temas como la vida media de los portadores) que convertirían nuestro recién dopado semiconductor en, a efectos prácticos, un aislante. Éste es el motivo de los elevados costes de producción de algunos dispositivos electrónicos, que dependen increíblemente de la pureza del material.
2.2.1 Tipo P
- Impurezas del grupo 3 de la tabla periódica, como el boro (B) (elementos aceptadores de electrones)
- p>n
- Todos los átomos de aceptador ionizados negativamente.
La siguiente imagen representa una red de silicio a la que se le ha incrustado, mediante algún oscuro procedimiento que más adelante veremos, un átomo de boro. Puesto que el boro tiene 3 electrones de valencia y el silicio 4, el boro formará un enlace covalente con un átomo vecino, quedando ionizado negativamente. ¿de dónde saca ese electrón? Lo "roba" de la banda de conducción, empobreciendo aún más la banda de conducción de un semiconductor que no se ha dopado con donadores. El porqué el aceptador hace esto (formar un enlace covalente) en lugar de quedarse como está, es algo que yo aún desconozco, pero exite buena documentación principalmente en idioma inglés. Algún día espero volver sobre ello. Obsérvese que, puesto que la red es siempre neutra (dopemos como dopemos el material "base") (el material con el que dopamos en ningún caso será mayor en cantidad que el material al cual dopamos, las cantidades de impurezas añadidas son una proporción aparentemenete diminuta), al meter un elemento aceptador hemos logrado meter un hueco en la red. Un hueco es la ausencia de un electrón, y no es algo extraño. De hecho, pese a que son los electrones y no la falta de ellos los encargados de conducir la corriente eléctrica, por convenio (cosas de la historia de los avances de la física) se toma como sentido de la corriente el sentido positivo de la corriente de huecos, es decir, lo contrario de lo que uno pudiera pensar a primera vista.
2.2.2 Tipo N
- Impurezas del grupo 5 de la tabla periódica, como el fósforo (P) (elementos donadores de electrones)
- p<n
- Todos los átomos de donador ionizados positivamente.
Al incluir un átomo de donador en la red, tenemos un nuevo electrón libre. Obsérvese que el principio de neutralidad de la carga siempre está presente. La suma se elementos eléctricamente neutros es una combinación eléctricamente neutra.
2.3. Distribución de electrones y huecos en los semiconductores
El comportamiento de los electrones está regido por las leyes de la mecánica cuántica.
Los electrones no pueden tener cualquier nivel de energía: los estados de energía están cuantificados. A un conjunto de niveles de energía muy cercanos entre sí se lo denomina banda de energía, y se la considera continua.
Hay tres bandas: la banda de conducción, la banda prohibida/gap, y la banda de valencia:
- Los electrones de la banda de conducción son los que tienen suficiente energía como para moverse libremente por la red. Éstos electrones se llaman electrones libres. La conductividad del material depende en gran medida de la cantidad de portadores (electrones y huecos en el caso de los semiconductores, exclusivamente electrones en los metales) del material. Si la banda de conducción está vacía, se dice que el material es un aislante eléctrico.
- La probabilidad de encontrar un electrón en la banda prohibida es prácticamente nula.
- La banda de valencia está constituída por los electrones del último nivel energético (nivel más "externo" del átomo). Los electrones de esta capa forman enlaces con los átomos vecinos, dando lugar las redes cristalinas. No intervienen en la conducción eléctrica.
La banda prohibida no existe en los metales, pues sus bandas de valencia y conducción se encuentran solapadas. Toda la nube de electrones (como se suele llamar a los electrones libres del metal que forman el enlace metálico, aunque no sea del todo preciso) característica de los metales interviene en la conducción.
La función de Fermi ó distribución de Fermi-Dirac, f(E), devuelve la probabilidad de que un estado de energía E de una banda esté ocupado por un electrón. Después de todo un electrón no debe ser entendido como un "pelota", la física lo trata más bien como una "onda de probabilidad" (a falta de que se me ocurra un término mejor), y la materia a escala atómica no es continua en el sentido habitual del término.
La materia también puede verse como un estado de presentación de la energía. Como anotación, en el sistema de unidades de Planck, la famosa ecuación de Einstein relacionando cantidades de materia con energía se transforma simplemente en E=m.
Continuará...
