Semiconductores: qué son, tipos y aplicaciones

Los semiconductores son materiales cuya conductividad eléctrica intermedia depende de condiciones externas como temperatura o luz. Los materiales semiconductores se pueden dividir en intrínsecos, cuando son puros, y extrínsecos, cuando se dopan con impurezas para formar regiones tipo N o tipo P, cuya unión permite producir dispositivos como diodos, transistores o células solares.

La versatilidad de los semiconductores es la base de múltiples aplicaciones en electrónica, optoelectrónica, fotovoltaica, sensores y telecomunicaciones, donde el silicio es el material más usado. Son materiales críticos en la industria, tanto que un aumento en su demanda provocó una crisis mundial de chips.

¿Qué es un semiconductor y cómo funciona?

Un semiconductor es un material generalmente cristalino sólido que conduce la electricidad bajo ciertas condiciones: no es extremadamente alta como un conductor metálico, ni extremadamente baja como un aislante.

Para entenderlo, hagamos una comparación: en un conductor, por ejemplo, un cable de cobre, muchos electrones están libres y pueden moverse, por lo que la corriente eléctrica fluye fácilmente. Pero en un aislante, como el caucho o el vidrio, los electrones están fuertemente unidos a sus átomos y apenas se mueven, por lo que la corriente no puede fluir. Un semiconductor se encuentra en un término medio, donde la mayoría de los electrones están unidos, pero algunos pueden liberarse en las condiciones adecuadas, lo que posibilita un flujo de corriente controlable.

¿Por qué los electrones son "libres" en algunos materiales y están atrapados en otros?

La respuesta se encuentra en el concepto de bandas de energía dentro del material. En cualquier átomo, los electrones ocupan ciertos niveles de energía.

Cuando los átomos se unen en un sólido, estos niveles de energía forman dos amplias bandas de energías permitidas: una banda de valencia de menor energía, donde los electrones normalmente están unidos a los átomos y una banda de conducción de mayor energía donde los electrones pueden moverse libremente a través del material.

Separando estas bandas hay un espacio donde no existen estados de electrones, llamado brecha de banda o banda prohibida.

Si la brecha de banda es muy grande, como ocurre en los aislantes, los electrones no pueden obtener suficiente energía para saltar de la banda de valencia a la banda de conducción, por lo que permanecen atrapados en los átomos.

Si la brecha de banda es prácticamente nula o se superpone, como sucede en los metales, los electrones no necesitan energía adicional para estar en la banda de conducción, ya que son libres de moverse.

Los semiconductores tienen un moderado intervalo de banda, menor que el de un aislante, pero sin superposición como el de un metal, lo que significa que unos pocos electrones pueden saltar cuando se les da un poco de energía.

Debido a esta estructura de bandas, el comportamiento eléctrico de un semiconductor es muy sensible a las condiciones externas. Por ejemplo, el aumento de la temperatura proporciona a más electrones la energía necesaria para saltar a la banda de conducción, aumentando la conductividad a diferencia de los metales, que tienden a conducir peor cuando están calientes.

Es importante diferenciar esto de cuando hablamos del coeficiente de temperatura de un módulo fotovoltaico (el típico -0,35 a -0,45 %/ºC en silicio cristalino), nos referimos a cómo varía la tensión de salida y, por tanto la potencia, de la célula al aumentar la temperatura.

En una célula solar, la corriente (Isc) apenas cambia con la temperatura, incluso aumenta ligeramente (+0,04 %/ºC) porque más electrones se excitan térmicamente. Lo que sí cae con la temperatura es la tensión en circuito abierto (Voc) (-0,24 / -0,25 %/ºC), porque al aumentar la temperatura, la brecha de banda del silicio se reduce (1,12 eV a 300 K baja unas décimas con cada 10 o 20 ºC).

Una brecha de banda más pequeña implica que es más fácil generar pares electrón-hueco, pero al mismo tiempo los portadores se recombinan más rápido, y la tensión máxima que la célula puede generar disminuye y en consecuencia también la potencia de la célula (P=VxI).

Gracias a esta característica de la brecha de banda de los semiconductores, al iluminar un semiconductor con luz se pueden excitar los electrones a través de la banda prohibida, que es como funcionan las células solares y los sensores de luz.

¿Cuáles son los principales tipos de semiconductores?

Los semiconductores se clasifican en dos tipos, según su pureza y cómo se consigue su conductividad: intrínsecos y extrínsecos.

¿Qué es un semiconductor intrínseco?

Un semiconductor intrínseco (Germanio, Selenio, Perovskitas, Silicio...) es un material semiconductor puro sin impurezas. Su comportamiento eléctrico de brecha de banda entre un conductor y un aislante, proviene únicamente de las propiedades naturales del propio material.

En un cristal tan puro, cada átomo se une perfectamente con sus vecinos como el caso del silicio, en el que cada átomo forma cuatro enlaces covalentes con cuatro átomos de silicio vecinos.

A bajas temperaturas, el silicio o el germanio se comportan casi como un aislante, estando todos los electrones atados en enlaces en la banda de valencia y no pueden moverse libremente. Solo cuando se les proporciona energía externa, calentando la red cristalina o absorbiendo fotones de luz, algunos electrones se liberan de sus enlaces y saltan a la banda de conducción.

Esta situación de aporte de energía externa, libera un electrón en la banda de conducción y un hueco que se corresponde con el enlace roto que queda en la banda de valencia.

Estos pares electrón-hueco también se generan térmicamente, incluso a temperatura ambiente, aunque en cantidades muy pequeñas. Gracias a ellos, el material puede conducir una corriente ínfima, debida a esos pocos electrones y huecos excitados térmicamente.

Por lo tanto, los semiconductores intrínsecos son malos conductores a temperatura ambiente, su conductividad es insignificante en comparación con los semiconductores dopados o los metales.

¿Qué es un semiconductor extrínseco?

Un semiconductor extrínseco es un tipo de semiconductor que ha sido dopado con una pequeña cantidad de átomos de otros elementos (se le suele llamar impurezas) para aumentar su conductividad.

Se puede entender como una contaminación intencionada del semiconductor puro con átomos de otros elementos que añaden electrones adicionales o generan huecos.

La diferencia fundamental con respecto a un semiconductor intrínseco es que un semiconductor extrínseco contiene estos átomos de impureza, que aportan un gran número de portadores de carga libres en forma de electrones o de huecos, incrementando mucho (un millón de veces más) los pocos portadores generados térmicamente en el material puro.

¿En qué consiste el proceso de dopaje?

El proceso de dopado produce dos variedades de semiconductores extrínsecos, conocidos como tipo N y tipo P. Si los átomos dopantes añaden electrones adicionales al semiconductor, el material se convierte en un semiconductor extrínseco de tipo N (tipo negativo), con electrones como portadores de carga mayoritarios. Si los dopantes crean huecos adicionales, el material se convierte en un semiconductor de tipo P (tipo positivo), con huecos como portadores mayoritarios.

Es decir, mediante el dopaje, podemos modificar regiones de un cristal semiconductor para que sean de tipo N o de tipo P, y las uniones entre estas regiones (las famosas uniones p-n) son las que hacen posible los dispositivos como diodos, transistores, células solares y circuitos integrados.

¿Cómo se crea un semiconductor de tipo N?

Para crear un semiconductor de tipo N, dopamos el semiconductor intrínseco con impurezas, es decir, añadimos átomos que tienen más electrones de valencia que el semiconductor intrínseco.

Por ejemplo, en el caso del silicio que tiene cuatro electrones de valencia, los dopantes más habituales para producir silicio tipo N son elementos del grupo V de la tabla periódica, como el fósforo (P), el arsénico (As) o el antimonio (Sb), cada uno de los cuales tiene cinco electrones de valencia.

Cuando, un átomo de fósforo sustituye a un átomo de silicio en la nueva red cristalina, se une a cuatro átomos de silicio vecinos utilizando cuatro de sus electrones, lo que deja un electrón extra sin enlace que ocupar.

Este electrón extra está débilmente unido al átomo de fósforo y puede liberarse fácilmente. El cristal de silicio resultante tiene entonces un exceso de electrones libres listos para conducir la corriente eléctrica.

Como los electrones tienen carga negativa, se denomina tipo N, por qué la n significa exceso de portadores de carga negativa. En un semiconductor de tipo N, estos electrones extra se convierten en los portadores mayoritarios, teniendo una concentración de electrones libres alcanza el orden de un billón de veces más electrones que huecos.

¿Cómo se crea un semiconductor de tipo P?

Un semiconductor de tipo P se crea dopando el semiconductor con átomos que tienen menos electrones de valencia que el material receptor.

Para el silicio, que tiene cuatro electrones de valencia, los dopantes más frecuentes son elementos del grupo III, como el boro (B), el aluminio (Al) o el galio (Ga), que tienen tres electrones de valencia.

Por ejemplo, cuando un átomo de boro sustituye a un átomo de silicio en la nueva red cristalina, forma enlaces con cuatro átomos de silicio vecinos, pero el boro tiene 3 electrones de valencia para compartir, por lo que a uno de esos enlaces le falta un electrón. Este electrón que falta en el enlace es un hueco que puede aceptar un electrón.

Dicho en otras palabras, el boro deja un sitio libre en la red cristalina que está deseando recibir un electrón, es decir, lo que se denomina un aceptor.

A temperatura ambiente, un electrón de silicio vecino puede saltar para llenar ese aceptor, trasladando el hueco al átomo vecino. Estos huecos actúan como portadores de carga positiva, ya que un hueco implica una carga positiva. Por lo tanto, el material resultante con dopaje de boro termina con una abundancia de huecos y, se denomina tipo P por el balance de carga positiva que aportan de los huecos. Entonces, en un semiconductor de tipo P, los huecos son los portadores mayoritarios, un billón más que los electrones que son los minoritarios.

Para explicar el funcionamiento podemos visualizar el dopaje de tipo P como que cada átomo de boro de la red cristalina del silicio abre una pequeña "trampa" que puede capturar un electrón. Cuando un electrón de un enlace vecino cae en esta trampa, deja atrás un hueco en el lugar de donde proviene. Ese hueco puede entonces moverse cuando otro electrón lo llena, y así sucesivamente. Es como si el hueco se propagara a través del cristal como una burbuja que se mueve a través de un líquido. Como resultado, el semiconductor de tipo P conduce la corriente a través del movimiento de estos huecos positivos.

En el caso de las células fotovoltaicas, no basta con tener un semiconductor tipo P o uno tipo N. Lo que se hace es combinar ambos en una unión P-N. Esto es, una capa de silicio dopado con boro (tipo P) en contacto con otra capa de silicio dopado con fósforo (tipo N). En la zona de unión (zona de agotamiento) entre ambas aparece un campo eléctrico interno.

Es decir, este campo empuja a los electrones hacia la región N y a los huecos hacia la región P. Gracias a esto, cuando la luz solar excita electrones en la célula, estos no se recombinan de inmediato con sus huecos, sino que son separados y dirigidos hacia los contactos eléctricos, generando así una corriente continua aprovechable para consumir. Este mecanismo de separación de cargas es la base del efecto fotovoltaico que convierte la luz solar en electricidad utilizable.

¿Qué aplicaciones tienen los semiconductores?

¿En qué consiste la crisis global de semiconductores?

La crisis mundial de semiconductores se refiere a la reciente escasez de chips mundial que alcanzó su punto álgido entre 2020 y 2022, cuando la demanda de chips semiconductores superó con creces la oferta.

No se trató de un hecho aislado, sino de una tormenta perfecta de factores que provocó una gran escasez de chips en muchos sectores. Una de las principales causas fue la pandemia de COVID-19 cuando a principios de 2020 los confinamientos y las medidas de seguridad interrumpieron la fabricación y la logística mundial, incluidas las cadenas de suministro de la fabricación de semiconductores.

Las fábricas de chips, concentradas en lugares como Taiwán y Corea del Sur, tuvieron que ralentizar o detener temporalmente la producción, y se acumularon los retrasos en los envíos.

Al mismo tiempo, se produjo un aumento inesperado de la demanda de productos electrónicos. A raíz de la pandemia por el Covid, millones de personas comenzaron a trabajar desde casa y a buscar entretenimiento doméstico, por lo que la demanda mundial de ordenadores personales, consolas de videojuegos y otros dispositivos se disparó.

Por otro lado hay que tener en cuenta que la fabricación moderna de chips es extremadamente compleja y tiene limitaciones de producción. Construir nuevas fábricas o aumentar la producción lleva años y requiere inversiones de miles de millones de euros. Por lo tanto, la industria no pudo responder rápidamente al aumento de la demanda.

Además la grave sequía en Taiwán en 2021 afectaron al suministro de agua a las fábricas de semiconductores que requieren grandes cantidades de agua ultrapura, lo que supuso un problema adicional para la producción.

Añadiendo a esto las cuestiones geopolíticas, como la guerra comercial entre Estados Unidos y China, también influyeron, ya que algunas empresas se enfrentaron a sanciones, como Huawei, o tuvieron que cambiar de proveedores.

Las consecuencias de la escasez de chips se hicieron muy visibles para los consumidores de todo el mundo. Muchos productos que dependen de los chips sufrieron escasez de existencias y retrasos. Por ejemplo, los fabricantes de automóviles tuvieron que reducir o detener la producción porque no podían conseguir suficientes microcontroladores y otros chips para la electrónica de los coches, lo que provocó largos tiempos de espera para los coches nuevos y el aumento de los precios de los coches usados.

Las consolas de videojuegos como la PlayStation 5 y la Xbox Series X, lanzadas a finales de 2020 eran difíciles de encontrar en stock, al igual que las tarjetas gráficas de gama alta para PC, lo que provocó la especulación y el aumento de los precios en los mercados de reventa.

Los teléfonos inteligentes, los ordenadores portátiles, los electrodomésticos y muchos otros artículos electrónicos se vieron también afectados en mayor o menor medida.

La escasez también nos dió la idea de lo importantes que son los semiconductores para todo, desde los coches hasta las tarjetas de crédito o los cepillos de dientes, son muchos los productos que contienen chips, y un cuello de botella en el suministro de chips afecta en toda la economía.

A finales de 2022 y 2023, la situación mejoró a medida que la producción se recuperaba lentamente y la demanda se estabilizaba, pero la crisis hizo que muchos países y empresas se replantearan las cadenas de suministro e invertir en ampliar la fabricación de chips para evitar futuras escaseces.

¿Por qué casi todos los chips están hechos de silicio?

El silicio se ha convertido en el material principal de los chips semiconductores por su abundancia y sus excelentes propiedades semiconductoras.

En primer lugar, porque el silicio es abundante y barato, es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre después del oxígeno y se obtiene fácilmente de la arena que es dióxido de silicio.

En segundo lugar, el silicio es un excelente semiconductor cuyas propiedades pueden modificarse al mezclarlo con pequeñas cantidades de impurezas como el fósforo o el boro, que aumentan su conductividad. Esta capacidad de ajustar con precisión la conductividad del silicio es exactamente lo que se necesita para producir transistores y circuitos integrados. Además, el silicio tiene una banda prohibida (1,1 eV) que hace que los dispositivos funcionen a voltajes y temperaturas comunes sin problemas.

¿Qué tipo de semiconductor es el silicio?

El silicio es, en su estado natural, un semiconductor intrínseco.

¿Cuál es la diferencia entre un diodo y un transistor?

La diferencia entre un diodo y un transistor se reduce a la función y la complejidad: un diodo controla la dirección del flujo de corriente (unidireccional), mientras que un transistor controla la cantidad de flujo de corriente (actuando como interruptor o amplificador). Internamente, un diodo tiene dos terminales y una sola unión PN; el transistor tiene tres terminales y dos uniones, lo que se traduce en un control eléctrico más elaborado.