- tipus
- Semiconductors intrínsecs
- Semiconductors extrínsecs
- Semiconductor tipus P
- Semiconductor tipus N
- Característiques
- aplicacions
- exemples
- referències
Els semiconductors són elements que exerceixen la funció de conductors o aïllants selectivament, en funció de les condicions externes a les quals estan sotmesos, com temperatura, pressió, radiació i camps magnètics o elèctrics.
A la taula periòdica són presents 14 elements semiconductors, entre els quals destaquen silici, germani, seleni, cadmi, alumini, gal·li, bor, indi i carboni. Els semiconductors són sòlids cristal·lins amb una conductivitat elèctrica mitjana, pel que poden emprar-se de manera dual com un conductor i un aïllador.
Si es fan servir com a conductors, sota condicions determinades condicions permeten la circulació del corrent elèctric, però només en un sentit. A més, no tenen una conductivitat tan alta com la dels metalls conductors.
Els semiconductors s'usen en aplicacions electròniques, especialment per a la fabricació de components com transistors, díodes i circuits integrats. També són usats com accessoris o complements de sensors òptics, com làsers d'estat sòlid, i alguns dispositius de potència per a sistemes de transmissió d'energia elèctrica.
En l'actualitat, aquest tipus d'elements està sent emprat per a desenvolupaments tecnològics en el àmbits de les telecomunicacions, sistemes de control i processament de senyals, tant en aplicacions domèstiques com industrials.
tipus
Hi ha diferents tipus de materials semiconductors, depenent de les impureses que aquests presenten i de la seva resposta física davant diferents estímuls de l'entorn.
Semiconductors intrínsecs
Són aquells elements l'estructura molecular està conformada per un sol tipus d'àtom. Entre aquest tipus de semiconductors intrínsecs es troba el silico i el germani.
L'estructura molecular dels semiconductors intrínsecs és tetraèdrica; és a dir, té enllaços covalents entre quatre àtoms circumdants, tal com es presenta en la imatge a continuació.
Cada àtom d'un semiconductor intrínsec té 4 electrons de valència; és a dir, 4 electrons orbitant en la capa més externa de cada àtom. Al seu torn, cada un d'aquests electrons forma enllaços amb els electrons adjacents.
D'aquesta manera, cada àtom compta amb 8 electrons en la seva capa més superficial, amb la qual cosa es forma una sòlida unió entre els electrons i els àtoms que conformen la xarxa cristal·lina.
A causa d'aquesta configuració, els electrons no es desplacen fàcilment dins de l'estructura. Així, en condicions estàndards, els semiconductors intrínsecs es comporten com un aïllant.
No obstant, la conductivitat de l'semiconductor intrínsec puja sempre que augmenti la temperatura, ja que alguns electrons de valència absorbeixen energia calorífica i se separen dels enllaços.
Aquests electrons es converteixen en electrons lliures i, si són direccionats adequadament mitjançant una diferència de potencial elèctric, poden contribuir a la circulació de corrent dins de la xarxa cristal·lina.
En aquest cas, els electrons lliures salten a la banda de conducció i es dirigeixen a l'pol positiu de la font de potencial (una pila, per exemple).
El moviment dels electrons de valència indueix un buit en l'estructura molecular, la qual cosa es tradueix en un efecte similar a què produiria una càrrega positiva en el sistema, de manera que es consideren com a portadors de càrrega positiva.
Llavors, es produeix un efecte invers, ja que alguns electrons poden caure des de la banda de conducció fins a la capa de valència alliberant energia en el procés, la qual cosa rep el nom de recombinació.
Semiconductors extrínsecs
Es conformen a l'incloure impureses dins dels conductors intrínsecs; és a dir, mitjançant la incorporació d'elements trivalents o pentavalents.
Aquest procés es coneix com a dopatge i té com a finalitat augmentar la conductivitat dels materials, per a millorar les propietats físiques i elèctriques d'aquests.
A l'substituir un àtom de semiconductor intrínsec per un àtom d'un altre component es poden obtenir dos tipus de semiconductors extrínsecs, els quals es detallen a continuació.
Semiconductor tipus P
En aquest cas, la impuresa és un element semiconductor trivalent; és a dir, amb tres (3) electrons en la seva capa de valència.
Els elements intrusos dins de l'estructura reben el nom d'elements dopants. Exemples d'aquests elements per als semiconductors tipus P són el bor (B), el gal·li (Ga) o l'indi (In).
A l'mancar d'un electró de valència per formar els quatre enllaços covalents d'un semiconductor intrínsec, el semiconductor tipus P té un buit a l'enllaç que falta.
L'anterior fa propici el pas d'electrons que no pertanyen a la xarxa cristal·lina a través d'aquest buit portador de càrrega positiva.
A causa de la càrrega positiva de l'buit de l'enllaç, aquest tipus de conductors s'anomena amb la lletra "P" i, en conseqüència, es reconeixen com acceptadors d'electrons.
El flux d'electrons pels buits de l'enllaç produeix un corrent elèctric que circula en sentit contrari al corrent derivada dels electrons lliures.
Semiconductor tipus N
L'element intrús en la configuració ve donat per elements pentavalents; és a dir, aquells que compten amb cinc (5) electrons en la banda de valència.
En aquest cas, les impureses que són incorporades a l'semiconductor intrínsec són elements com el fòsfor (P), l'antimoni (Sb) o l'arsènic (As).
Els dopants tenen un electró de valència addicional que, al no tenir un enllaç covalent a el qual unir-se, queda lliure automàticament per a desplaçar-se a través de la xarxa cristal·lina.
Aquí, el corrent elèctric circula a través del material gràcies a l'excedent d'electrons lliures proporcionat pel dopant. Per tant, els semiconductors tipus N són considerats donadors d'electrons.
Característiques
Els semiconductors es caracteritzen per la seva doble funcionalitat, eficiència energètica, diversitat d'aplicacions i baix cost. Les característiques més destacades dels semiconductors es detallen a continuació.
- La seva resposta (conductor o aïllant) pot variar depenent de la sensibilitat de l'element a la il·luminació, camps elèctrics i camps magnètics de l'entorn.
- Si el semiconductor està sotmès a una baixa temperatura, els electrons es mantindran units en la banda de valència i, per tant, no sorgiran electrons lliures per a la circulació de corrent elèctric.
En canvi, si el semiconductor és exposat a temperatures elevades, la vibració tèrmica pot afectar la solidesa dels enllaços covalents dels àtoms de l'element, amb la qual cosa queden electrons lliures per a la conducció elèctrica.
- La conductivitat dels semiconductors varia depenent de la proporció d'impureses o elements dopants dins d'un semiconductor intrínsec.
Per exemple, si s'inclouen 10 àtoms de bor en un milió d'àtoms de silici, aquesta proporció augmenta la conductivitat de l'compost mil vegades, en comparació amb la conductivitat de l'silici en estat pur.
- La conductivitat dels semiconductors varia en un interval entre 1 i 10 -6 S.cm -1, depenent de el tipus d'element químic emprat.
- Els semiconductors compostos o extrínsecs poden presentar propietats òptiques i elèctriques considerablement superiors a les propietats dels semiconductors intrínsecos.Un exemple d'aquest aspecte és l'arsenur de gal·li (GaAs), emprat predominantment en radiofreqüència i altres usos d'aplicacions optoelectròniques.
aplicacions
Els semiconductors són àmpliament utilitzats com a matèria primera en l'acoblament d'elements electrònics que formen part de la nostra vida quotidiana, com per exemple, els circuits integrats.
Un dels principals elements d'un circuit integrat són els transistors. Aquests dispositius compleixen la funció de proporcionar un senyal de sortida (oscil·latòria, amplificada o rectificada) segons un senyal d'entrada específica.
A més, els semiconductors també són el material primari dels díodes utilitzats en circuits electrònics per permetre el pas del corrent elèctric en un sol sentit.
Per al disseny de díodes, es formen juntes de semiconductors extrínsecs tipus P i tipus N. A l'alternar elements portadors i donadors d'electrons, s'activa un mecanisme d'equilibri entre les dues zones.
Així, els electrons i els forats de les dues zones es creuen i es complementen on sigui necessari. Això es dóna en dues vies:
- Ocorre el trasllat d'electrons de la zona tipus N a la zona P. La zona tipus N obté una zona de càrrega predominantment positiva.
- Es presenta un pas de buits portadors d'electrons de la zona tipus P a la zona tipus N. La zona tipus P adquireix una càrrega predominantment negativa.
Finalment, es constitueix un camp elèctric que indueix la circulació del corrent en un sol sentit; és a dir, des de la zona N cap a la zona P.
En addició, a l'emprar combinacions de semiconductors intrínsecs i extrínsecs es poden produir dispositius que exerceixin funcions similars a un tub de buit que conté el seu volum centenars de vegades.
Aquest tipus d'aplicacions s'aplica en circuits integrats com, per exemple, xips microprocessadors que abasten una quantitat considerable d'energia elèctrica.
Els semiconductors es troben presents en aparells electrònics que utilitzem en la nostra vida quotidiana, com equips de línia marró com ara televisors, reproductors de vídeo, equips de so; computadors i telèfons mòbils.
exemples
El semiconductor més utilitzat en la indústria electrònica és el silici (Si). Aquest material està present en els dispositius que conformen els circuits integrats que formen part del nostre dia a dia.
Els aliatges de germani i silici (SiGe) són emprades en circuits integrats d'alta velocitat per a radars i amplificadors d'instruments elèctrics, com per exemple, guitarres elèctriques.
Un altre exemple de semiconductor és l'arsenur de gal·li (GaAs), àmpliament utilitzat en amplificadors de senyals, específicament de senyals amb alt guany i baix nivell de soroll.
referències
- Brian, M. (sf). How Semiconductors Work. Recuperat de: electronics.howstuffworks.com
- Landin, P. (2014). Semiconductors intrínsecs i extrínsecs. Recuperat de: pelandintecno.blogspot.com
- Rouse, M. (sf). Semiconductor. Recuperat de: whatis.techtarget.com
- Semiconductor (1998). Encyclopædia Britannica, Inc. Londres, Regne Unit. Recuperat de: britannica.com
- What are semiconductors? (Sf). © Hitachi High-Technologies Corporation. Recuperat de: hitachi-hightech.com
- Wikipedia, L'Enciclopèdia Lliure (2018). Semiconductor. Recuperat de: es.wikipedia.org