Introducción
Los semiconductores son uno de los adelantos técnológicos que más relevancia han tenido en este siglo principalmente por haber permitido un desarrollo extremo de la electrónica general. Su antecesor, el tubo termoiónico o válvula de vacío es un dispositivo caro, grande, frágil, lento y que requiere un consumo de potencia no despreciable sólo para hacerlo funcionar. Con él nunca se hubiesen podido alcanzar niveles que a día de hoy nos parecen de lo más normal como integrar decenas de millones de transistores en el tamaño de una uña, y esto se debe al bajo precio, reducido tamaño y bajo consumo que permite la tecnología de los semiconductores.
No vamos a hacer una lista con las aplicaciones que ha permitido desarrollar, porque sería eterno y no podría calificarse cada adelanto en su justa medida, en su lugar vamos a hablar de porqué este artículo.
En el diseño electrónico siempre existen fenómenos que alejan a los componentes de su comportamiento teórico, se suelen denominar efectos parásitos y no es posible sacar el máximo partido de un diseño sin conocerlos. Incluso en el campo digital, la implementación está sujeta a fenómenos analógicos que si no se tienen en cuenta impedirán un correcto funcionamiento.
Conocer los mecanismos físicos de los semiconductores y su construcción interna permite comprender porqué suceden las cosas, y estas cosas pueden ser fenómenos de segundo orden, como la no linealidad de la capacidad parásita, o de vital importancia como la tensión de ruptura en inversa de un diodo. Permite saber qué componente será el óptimo en cada caso, porque no es lo mismo usar un mosfet que un BJT en un circuito de bajo ruido. También permite comprender qué variación supondrán fenómenos externos como temperatura, radiación, luz... en ellos.
Muchas de las presunciones que se usan en diseño están sujetas a simplificaciones que permiten entender partes del funcionamiento pero que dan una idea errónea del comportamiento real, como por ejemplo que la corriente de puerta de un JFET es despreciable. Para llegar a un alto nivel se deben tener en cuenta todos los parámetros y sus condicionamientos externos, porque esta corriente de puerta presuntamente despreciable puede causar que un circuito de precisión dé medidas erróneas a medida que cambia la temperatura.
Desgraciadamente las explicaciones no son sencillas, aunque la intención sea facilitar la compresión de los fenómenos en lugar de poner fórmulas que no va a usar. Muchas de las causas sólo tienen sentido cuando se examinan los semiconductores a nivel atómico, como porqué les afecta la temperatura, porqué se hacen de un material y no de otro...
Teoría de funcionamiento.
Niveles energéticos
Las bandas energéticas de un átomo marcan los lugares donde es posible que se encuentren los electrones. Las bandas más próximas al átomo se llaman bandas de valencia y en ellas los átomos están fuertemente ligados al núcleo por fuerzas eléctricas. En el exterior la fuerza eléctrica es menor y además se tiene la repulsión eléctrica de los electrones de la capa de valencia, por lo que en esta banda los electrónes están débilmente ligados al átomo. Esta capa se denomina capa de conducción. En medio puede existir una banda denominada de energía prohibida, donde si hubiese un electrón inebitablemente caería a la capa de valencia (en caso de estar incompleta) o sería expulsado a la capa de conducción.
En los conductores, especialmente en los metales, no existe capa de energía prohibida, por lo que es necesaria muy poca energía para liberar un electrón de la capa de valencia y que sea expulsado a la capa de condución. En un semiconductor y en un aislante si que existen, pero es menor en un semiconductor. |  |
Un semiconductor es una estructura cristalina con enlaces covalentes, muy estables, y que en un principio no poseen ningún electrón en las banda energética de conducción. Nos referiremos únicamente a silicio y germanio, tetravalentes y que forman enlaces dobles con los átomos de su entorno como se puede ver en el gráfico de la derecha. |  |
Semiconductores intrínsecos
Al tipo de semiconductores mencionado anteriormente se le denomina semiconductor intrínseco, porque sólo posee un tipo de átomos que están en equilibrio eléctrico.
En los semiconductores intrínsecos, cuando se aumenta la temperatura la vibración de las partículas puede romper los enlaces covalentes y los electrones pueden adquirir suficiente energía como para escapar de los enlaces covalentes y convertirse en un electrónes libres, para abandonar la capa de valencia y situarse en la capa de conducción. Es decir, que térmicamente pueden generarse electrones y las ausencias de electrones en la capa de valencia, denominados huecos. |  |
Recordamos que la corriente consiste en el movimiento de los electrones, y que si éstos están fuertemente ligados al átomo no será posible que exista conducción. Debe requerirse poca energía para mover los electrones y esta condición se cumple en la capa de conducción. Por otro lado, si en la estructura cristalina de enlaces covalentes hay déficit de electrones, o exceso de huecos, los electrones con energía, aunque no sea suficiente para escapar a la capa de conducción, pueden pasar a otro enlace, dando lugar así a la circulación de carga neta, es decir, corriente.
Por este motivo, los semiconductores intrínsecos son muy sensibles a la temperatura, y a medida que aumenta se vuelven mejores conductores. Lo que permite la conducción, los electrones libres o los huecos se denominan portadores.
Semiconductores extrínsecos
Los semiconductores extrínsecos son aquellos a los que se les añaden impurezas (proceso de dopado), que son átomos pentavalentes o trivalentes, que tendrán exceso o defecto de electrones; en los que llevan impurezas pentavalentes habrá exceso de electrones y se les denomina de tipo N; quedarán ligados al átomo pero no hará falta mucha energía para arrancar ese electrón. |  |
En los que llevan impurezas trivalentes habrá déficit de electrones y se denomina de tipo P. Se necesitará poca energía para que un electrón se recombine con los enlaces de otros átomos, y complete así otras capas de valencia dejando en inferioridad de carga a su átomo anterior, al que le será fácil aceptar otro electrón. |  |
El resultado es que en los semiconductores extrínsecos la conducción es más fácil, ya que se necesita una energía notablemente menor para que exista circulación de carga, tanto de huecos como de electrones. El nivel de impurificación o dopado es bastante bajo y ésto ya permite una gran conductividad, la concentración habitual de impurezas es de un átomo de impureza por cada 1E+7 de no impurezas.
Es importante destacar que habitualmente un semiconductor sólo se dopa con un tipo concreto de impureza, y que además de los portadores que se generan térmicamente, habrá tipo de portador generado por las impurezas, que a temperatura ambiente tendrá una concentración muchísimo mayor que los portadores generados térmicamente. Además, por haber sólo un tipo de impureza prodominará un tipo de ellos, y a este tipo se le llama portador mayoritario (electrones en semiconductor tipo N y huecos en tipo P).
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