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¿Qué son los semiconductores y para qué se utilizan?

José Luis Gómez | @jlgomez1995 | 4 May 2021
Semiconductores Circuito Placa Electronica 02
Semiconductores Circuito Placa Electronica 02

Un material semiconductor es aquel que bajo unas determinadas circunstancias permite el paso de corriente eléctrica, mientras que si se dan otras diferentes impide esa trasmisión de corriente eléctrica y actúa como un aislante. Sin embargo, cuando hablamos de semiconductores de una forma más coloquial y referida al mundo del automóvil (y de la electrónica en general), nos estamos refiriendo a esa serie de "chips” y elementos que nos encontramos en una placa electrónica y que efectivamente, para su fabricación se emplean materiales semiconductores como puede ser el silicio.

¿Qué es un semiconductor?

Un semiconductor es todo aquel material que puede actuar tanto como un conductor permitiendo el paso de una corriente eléctrica o como un aislante impidiéndola según varios factores como puede ser la temperatura ambiente, el tipo de estructura atómica del mismo o el campo eléctrico o magnético al que esté sometido Así pues, en la naturaleza nos encontramos con varios materiales semiconductores, entre los que destacan el silicio (Si) y el germanio (Ge) por su mayor uso industrial, aunque también existen otros menos extendidos como el azufre (S), el Boro (B) o el cadmio (Cd).

Un semiconductor es un material que en función de varios factores permite el paso de corriente eléctrica o no, siendo especialmente usado en la fabricación de componentes electrónicos que encontramos en la totalidad de dispositivos tecnológicos.
Ordenador portátil, tablet y smartphone, tres dispositivos cotidianos en los que se emplean semiconductores

Sin embargo, para ese uso industrial no se emplea silicio o germanio en estado puro, los cuales se conocen como semiconductores intrínsecos, sino que se recurre a los denominados semiconductores extrínsecos, los cuales no son más que un semiconductor natural con impurezas que se obtiene por medio de un proceso de dopado.

¿Por qué un semiconductor conduce o no conduce la electricidad?

Ahora bien, ¿qué tiene de especial esos materiales para dejar pasar la corriente eléctrica unas veces sí, y otras veces no? Dejando de lado la precisión química y física nos vamos a centrar en dos tipos de semiconductores típicos para ilustrar esta pequeña explicación: silicio con impurezas de fósforo y silicio con impurezas aluminio.

Si recuerdas aquellas clases de química, podemos pensar en un átomo como si del Sistema Solar se tratase: en el centro está el núcleo y alrededor de él giran los electrones. Salvo en la primera órbita que sólo puede haber dos electrones, las demás tienen cabida para ocho de ellos, y de hecho, los átomos “quieren” tener siempre todas sus órbitas (llamadas técnicamente orbitales) completas para alcanzar así el estado más estable posible.

Existen dos tipos de semiconductores extrínsecos: los tipo p con carga negativa y los tipo n con carga positiva.
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En el caso de los semiconductores de tipo p, dentro de los cuales se enmarca el silicio con impurezas de aluminio, existe un enlace covalente en el que ambos átomos comparten los electrones de sus últimas órbitas, lo que da lugar a un total de siete en esa última capa (cuatro del silicio y tres aluminio). El problema es que aún sigue faltando un electrón más para completarla, y en el momento en el cual “lo capta” se crea un material cargado negativamente.

Por el contrario, en los semiconductores de tipo n, como el silicio con impurezas de fósforo, sucede lo opuesto. En este caso contamos con cuatro electrones del silicio y cinco del fósforo, de forma que es necesario desprenderse de un electrón para alcanzar esa órbita de ocho, lo que da lugar a una material cargado negativamente.

Polarización directa e indirecta de un semiconductor (J. Pinochet, 2001)

Pues bien, la “magia” tiene lugar cuando se pone en contacto un semiconductor de tipo n con otro de tipo p y se conecta a una fuente eléctrica. Si el polo positivo coincide con el tipo p, cargado negativamente, se dice que tiene lugar una polarización directa y permite el paso de la electricidad. Por el contrario, si el polo positivo se conecta al tipo n, cargado también de forma positiva, la polarización es inversa y actuaría como aislante.

¿Por qué ocurre eso? La forma más inmediata es pensar que en el caso de la polarización inversa, al conectar el polo positivo con el tipo n de igual polaridad “las cargas de igual signo se repelen”, mientras que al revés se atraen y sí permite la circulación de electrones, o lo que es lo mismo, de una corriente eléctrica, la cual no es más que un flujo de cargas negativas.

¿Para qué se utilizan los semiconductores?

La aplicación más inmediata de un semiconductor es la de un diodo, entre los cuales se encuentran los conocidos diodos emisores de luz o LEDs. Así pues, según tipo de dioso, se puede desde modular y/o rectificar una señal hasta conseguir luz, o incluso convertir corriente alterna en continua..

Sin embargo, la aplicación más importante los semiconductores radica en la fabricación de transistores. Estos dispositivos, que pueden ser de tipo npn ó pnp, permiten obtener una señal de salida en respuesta de una entrada y desde su invención en 1947 supusieron una pequeña gran revolución en la electrónica de consumo al dejar atrás los más voluminosos, costosos y menos fiables tubos de vacíos.

Los principales componentes de la electrónica de consumo (LEDs, transistores, microprocesadores...) se fabrican usando materiales semiconductores.

Así pues, mediante una combinación de transistores es posible crear un elemento lógico capaz de realizar simples operaciones matemáticas (sumas, restas, multiplicaciones…), los cuales reciben el nombre de puertas lógicas, lo que llevado al extremo se convierte en los chips y microprocesadores que tienen todos y cado uno de los dispositivos electrónicos que nos rodean, desde nuestro smartphone hasta una simple calculadora, pasando por la televisión, el ordenador, y como no, nuestro coche.

John Bardeen, William Shockley y Walter Brattain inventaron el transistor bipolar trabajando en Laboratorios Bell (1947)

No obstante, cabe señalar que el uso de materiales semiconductores en electrónica es anterior a la invención del transistor, y es que a principios del siglo XX ya se empleaban dispositivos como un rectificador de óxido de cobre o selenio fabricado por Westinghouse Electric para convertir corriente alterna en corriente continua, aunque como en la mayoría de los progresos técnicos, no fue hasta la Segunda Guerra Mundial (1939 – 1945) cuando se empezó a explorar el uso de estos materiales en dispositivos de radio y radar al rescatar los olvidados “detectores de bigotes de gato”(cat whisker detector), un dispositivo que está compuesto por un filamento o bigote metálico que hace contacto con un cristal semiconductor (normalmente pirita, silicio vítreo o carburo de silicio) para detectar las ondas de radio.

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