La física detrás de los semiconductores: cómo funcionan y su papel en la electrónica

Los semiconductores son una parte fundamental de la electrónica moderna, desde los teléfonos móviles hasta los ordenadores, pasando por la iluminación LED. Pero, ¿cómo funcionan estos materiales y por qué son tan importantes?

H2: ¿Qué son los semiconductores?
Los semiconductores son materiales que se encuentran entre los conductores y los aislantes. A diferencia de los conductores, los semiconductores no permiten el flujo libre de electrones, pero tampoco son tan resistentes como los aislantes. En otras palabras, los semiconductores tienen una conductividad eléctrica intermedia, lo que es clave en la física de semiconductores.

Los semiconductores más comunes son el silicio y el germanio. Estos materiales tienen cuatro electrones en su capa más externa, lo que les permite unirse entre sí formando una red cristalina. Cada átomo en la red cristalina comparte electrones con sus vecinos, lo que crea una estructura en la que los electrones están «atrapados» en sus posiciones.

H2: ¿Cómo funcionan los semiconductores?
Para entender cómo funciona un semiconductor, es útil conocer cómo se comportan los electrones en los materiales. En un material conductor, los electrones pueden moverse libremente a través del material, mientras que en un material aislante, los electrones están fuertemente unidos a sus átomos y no pueden moverse.

En un semiconductor, los electrones están «atrapados» en su posición en la red cristalina, pero pueden saltar a posiciones adyacentes si se les proporciona suficiente energía. Esta energía se puede proporcionar de varias maneras, como mediante la aplicación de un voltaje o mediante la absorción de luz.

Cuando un electrón salta a una posición adyacente en un semiconductor, deja atrás un «hueco» en su posición original. Este hueco actúa como una carga positiva, y puede moverse a través del material de manera similar a un electrón. En un semiconductor puro, el número de huecos y electrones es igual, lo que significa que el material es eléctricamente neutro.

H3: ¿Cómo se usan los semiconductores en la electrónica?
Los semiconductores se utilizan en una amplia variedad de dispositivos electrónicos, desde transistores hasta diodos y circuitos integrados. Los transistores son uno de los dispositivos más importantes, ya que se utilizan en casi todos los circuitos electrónicos modernos y son un ejemplo práctico de la física de semiconductores en acción.

Un transistor consiste en tres capas de material semiconductor, que se unen para formar una estructura «PNP» o «NPN». La capa intermedia, conocida como la base, es muy delgada y se puede controlar con un voltaje. Al aplicar un voltaje a la base, se puede controlar el flujo de corriente a través del transistor.

Los diodos son otro tipo común de dispositivo semiconductor. Un diodo consiste en una capa de material semiconductor tipo «P» y una capa de material semiconductor tipo «N». Cuando se aplica un voltaje a través del diodo en una dirección específica, los electrones pueden fluir a través del dispositivo. Sin embargo, cuando se aplica un voltaje en la dirección opuesta, el diodo bloquea el flujo de electrones.

Los circuitos integrados son otra aplicación importante de los semiconductores. Un circuito integrado es un conjunto de dispositivos y componentes electrónicos interconectados en un solo chip de silicio. Los circuitos integrados se utilizan en una amplia variedad de dispositivos, desde ordenadores hasta teléfonos móviles y televisores.

H3: ¿Cómo se fabrican los semiconductores?
La fabricación de semiconductores es un proceso altamente tecnológico y costoso. El proceso comienza con una oblea de silicio, que se corta en discos individuales llamados «chips». Cada chip se somete a una serie de procesos de limpieza y deposición de capas, que añaden y eliminan materiales de la superficie del chip.

Uno de los procesos más importantes es la creación de «impurezas» controladas en el material semiconductor. Estas impurezas, conocidas como dopantes, se añaden al material en concentraciones muy bajas para cambiar su comportamiento eléctrico. Por ejemplo, un material semiconductor tipo «P» se puede crear añadiendo un dopante tipo «Boro», mientras que un material semiconductor tipo «N» se puede crear añadiendo un dopante tipo «Fósforo».

Una vez que se ha completado la fabricación del chip, se prueba para asegurarse de que funciona correctamente. Los chips que pasan las pruebas se utilizan en dispositivos electrónicos, mientras que los chips que no pasan las pruebas se descartan.