Asómate a la materia:¿qué es un semiconductor?

Gobierno del Distrito Federal

Lic. Alejandro Encinas RodríguezJefe de Gobierno

Lic. Francisco Garduño YáñezSecretario de Transportes y Vialidad

Dra. Florencia Serranía SotoDirectora General del Sistemade Transporte Colectivo

Lic. José Alfonso Suárez del Real y AguileraSubdirector General Jurídico y de SeguridadInstitucional del Sistema de Transporte Colectivo

Universidad NacionalAutónoma de México

Juan Ramón de la FuenteRector

Enrique del Val BlancoSecretario General

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René Drucker ColínCoordinador de laInvestigación Científica

Julia Tagüeña PargaDirectora General deDivulgación de la Ciencia

Patricia Gómez CanoJefe del Departamento de Difusión de laCoordinación de la Investigación Científica

Asómate a la materia:¿qué es un semiconductor?

Julia Tagüeña Parga

Dirección General deDivulgación de la Ciencia

Coordinación editorialRosanela Álvarez y Juan Tonda

Diseño de la colecciónElizabeth Cruz

Corrección técnicaMartín Bonfil y Javier Crúz

FormaciónElizabeth Cruz y Kenia Salgado

Asistente editorialLeticia Monroy

IlustracionesEmmanuel Vela

Impreso y hecho en México

Este libro no puede ser reproducido, total ni parcialmente, por ningúnmedio electrónico o de otro tipo, sin autorización escrita de los editores.

Primera edición, 2005

D.R. © Dirección General de Divulgación de la CienciaUniversidad Nacional Autónoma de MéxicoEdificio Universum, tercer piso, Circuito Cultural,Ciudad Universitaria, Coyoacán 04510, México, D.F.

ISBN 970-32-2071-1

Agradecemos el apoyo otorgado por ISA Corporativo

Asómate a la materia:¿qué es un semiconductor?

“Semi” es un prefijo que viene del latín y quieredecir medio. Hay semicírculos, semiautomáticas, se-mifinales, seminternados... y también semiconduc-tores.

Se puede decir que nuestra sociedad está marcadaen gran parte por la tecnología de los semiconducto-res. Los sistemas de control, los lectores ópticos, laspantallas con luces y en general toda la electrónicadel Sistema Colectivo de Transporte Metro, en el queestás en este momento, utilizan semiconductores. Des-de las poderosas computadoras hasta las calculado-ras de bolsillo, además de la mayoría de los aparatosdomésticos, los equipos de medición de laboratorio,las asombrosas celdas solares, las fotocopiadoras yuna larga serie de otras aplicaciones, tienen que vercon los semiconductores. Pero, ¿qué es un semicon-ductor? ¿Acaso es un “medio conductor”? Para contes-tar a esta pregunta lee estas páginas.

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La revolución tecnológica causada por los semi-conductores empieza en diciembre de 1947 cuandoJohn Bardeen, Walter Brattain y William Shockley,de los Laboratorios Bell —centro de investigación dela compañía AT&T, nombrados así en honor de Ale-xander Graham Bell, inventor del teléfono y fundadorde Bell Telephone Co., antecesora de AT&T—, cons-truyeron el primer transistor hecho de un pedazode germanio (elemento semiconductor) con varioscontactos eléctricos sobrepuestos. El transistor me-joró enormemente el funcionamiento de los bulbosal vacío como instrumento de control, amplificación ygeneración de señales electrónicas. Estos científicosrecibieron el Premio Nobel en 1956 y los descendien-tes de este primer transistor cambiaron la tecnologíade nuestro mundo.

Aparatos electrónicos

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Muchas de las características de los semiconduc-tores se observaron en el siglo XIX pero no pudieronser interpretadas porque todavía no existía la físicaadecuada (llamada hoy física del estado sólido). Elfísico inglés Michael Faraday, pionero en experimen-tos de electromagnetismo en aquel siglo, tuvo mu-cho interés en las propiedades de los materiales. Notócon ciertos materiales, como el sulfuro de plata, queaunque sí conducían electricidad, tenían un compor-tamiento anómalo con la temperatura. Sorprenden-temente, sus características conductoras mejoraban amedida que aumentaba la temperatura, a diferenciadel comportamiento de los metales, que se vuelven me-nos conductores cuando están más calientes. Los físi-cos tardarían un siglo en explicar este hecho. Tambiénse observó que estos materiales, intermedios entre losextremos más conocidos de aislantes y conductores,eran muy sensibles a la luz, presentando la llamadafotoconductividad: conducían mejor al ser iluminados.

Los estudios hechos en el siglo pasado se hacíanen minerales naturales impuros. Pero hacia 1940 lastécnicas de crecimiento de cristales y el control delcontenido de impurezas ya permitieron entender laimportancia de la presencia de impurezas en los se-miconductores porque se pudo manipular mejor suestructura interna como sólidos.

Todos tenemos una idea intuitiva de qué son lossólidos. Sabemos que nos podemos sentar en ellos y

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que nos duele el pie si los pateamos. También seconocen hace mucho tiempo algunas leyes que obe-decen los sólidos; por ejemplo, cómo caen. Sin em-bargo, el conocimiento de la naturaleza interna delos sólidos, de su comportamiento molecular, fue unmisterio durante muchos siglos. De hecho, la físicadel estado sólido es una disciplina relativamentenueva, desarrollada en el siglo XX, gracias a los enor-mes avances de las técnicas experimentales —quehan permitido penetrar en la materia— y a la mecá-nica cuántica que nos ha dado la clave del compor-tamiento a escalas mucho menores que la escalahumana.

Es aún más reciente el interés de la física del es-tado sólido por estudiar materiales desordenados.Originalmente todo el esfuerzo se dirigió al estudiode los materiales llamados cristalinos, esto es, aque-llos en los que los átomos o moléculas se acomodanen sitios regulares del espacio, con una cierta periodi-cidad, como cuando en un vagón del Metro cada pa-sajero ocupa un lugar para sentarse y además cadavagón tiene la misma distribución de sitios. En cam-bio, si los pasajeros no se sientan en estos lugares,forman un arreglo desordenado. En la figura 1 semuestra cómo moléculas de la misma composiciónpueden formar tanto un arreglo cristalino como unoamorfo. Sin embargo, lo que todos los materialestienen en común es que las fuerzas responsables de

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Arreglo ordenado de átomos: cuarzo.

Arreglo desordenado de átomos: vidrio.

Figura 1

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la formación de átomos, moléculas y finalmente só-lidos son fuerzas eléctricas.

Es justamente por sus propiedades eléctricas que lossólidos se clasifican como conductores, semiconduc-tores y aislantes. Todos los átomos están constituidos,entre otras cosas, por pequeñas partículas con cargaeléctrica negativa, a las que llamamos electrones. Paraconducir la electricidad, un material requiere electronescasi libres que puedan moverse. Los electrones en unsólido tienen valores de energía y el moverse implicapoder pasar a estados vacíos.

Para entender estos conceptos vamos a utilizar unaanalogía entre los pasajeros del Metro (tú entre ellos)y los electrones de un sólido. Pensemos en vagonesdel Metro, detenidos en una estación donde los pasa-jeros desempeñan el papel de los electrones en susniveles de energía dentro de un sólido. Un vagón par-cialmente lleno de pasajeros representa un materialconductor. Vamos a suponer que los pasajeros se asus-taron con un ratón de juguete y ocuparon sólo unaparte del vagón (véase figura 2). La energía está simu-lada por el lugar de cada pasajero y la imposibilidadde que dos pasajeros ocupen el mismo sitio reflejaríalo que los físicos llaman el principio de exclusión dePauli. El borde de los lugares ocupados correspondeal nivel de mayor energía, llamado de Fermi. A unlado de él, los lugares están llenos; a partir de él, va-cíos. Si ahora los pasajeros se dan cuenta de que es

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Los pasajeros ocupan sólo una parte del vagón.

Los pasajeros pueden moverse en el vagón:simulación de un conductor.

Figura 2

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una broma y que pueden ocupar el resto de los luga-res, se moverán primero los del extremo, ya que losque siguen están detenidos por esta primera capa. Almoverse los pasajeros (electrones) “conducen” la elec-tricidad.

En cambio los electrones en un aislante se com-portan como un vagón cerrado completamente lleno.Todos los estados energéticos están ocupados y aun-que les pidamos que se muevan, no tienen a dónde ir.Aunque aparezca un ratón de juguete, no tienen adón-de moverse. Por lo tanto, “no conducen” la electrici-dad (véase figura 3).

Los semiconductores están a medio camino entrelos conductores y los aislantes. Presentan también una

Figura 3. Los pasajeros llenan completamente el vagón.Simulación de un aislante.

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conductividad eléctrica, pero diferente a la de los me-tales (conductores por excelencia). La conductividadmetálica aumenta cuando se enfría el metal porquehay menos agitación térmica y por lo tanto menosresistencia. Si, por ejemplo, vas corriendo por lospasillos del Metro y te tropiezas con que hay trabaja-dores de limpieza trapeando el pasillo, se frena unpoco tu carrera. Si fueras un electrón, encontraríasque aumentó la resistencia del material. El aumentode obstáculos es el efecto de la agitación térmica enlos conductores. En cambio, los semiconductores secomportan de una manera inesperada: aumentan suconductividad al calentarse, como observó MichaelFaraday en el sulfuro de plata en 1833. Este misteriotardó 100 años en ser resuelto, pero ahora ya lo pode-mos entender con nuestra analogía del Metro. Pen-semos en dos vagones, conectados por una puertaestrecha (véase figura 4). El primer vagón está com-pletamente lleno. Sin embargo, de repente se abre lapuerta en el vagón vacío (equivalente al efecto de ca-lentar un sólido) y un pasajero se cuela al vagón dondehay lugares, dejando su “hoyo” en el vagón original.Esta división entre pasajeros y “hoyos” está favoreci-da por lo estrecho de la separación entre vagones. Enotras palabras, gracias a la agitación térmica, apare-ció un “electrón” en el vagón vacío (banda de con-ducción) y un “hoyo’’ en el vagón lleno (banda devalencia). Estas parejas electrón-hoyo son las que

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conducen en los semiconductores y como su númeroaumenta con la temperatura, también aumenta la con-ductividad del material semiconductor. Aunque unhoyo es la ausencia de carga negativa, se comportacomo si fuera una partícula de carga positiva en mo-vimiento. Cuando el pasajero se va del vagón llenodejando un hueco, ese hoyo es ocupado por otro pa-sajero, quien a su vez deja un hueco detrás de sí. Esdecir, el hueco aparenta moverse, pero son los pasa-jeros los que realmente se mueven (véase figura 5).

En un lenguaje más formal, la analogía anterior seexplica con el llamado diagrama de bandas. Vemosahora que los vagones representan lo que en el diagramallamamos banda de valencia y banda de conducción.Lo interesante es que, en el caso de los semiconduc-tores y de los aislantes, aparece una brecha prohibidao “gap” entre las bandas que los electrones tienenque saltar. En los semiconductores (puerta entre va-gones) esta brecha puede ser saltada. En cambio, enel caso de los aislantes, ni subiendo la temperaturalos electrones tienen suficiente energía para llegar ala banda de conducción (véase figura 6).

Poco a poco, a lo largo del siglo XX, se fuerondesarrollando diferentes métodos para calcular laestructura de bandas de los diferentes materiales,introduciendo a la física conceptos nuevos. Se re-quería para estos avances no solamente mejor capa-cidad de cómputo, sino información experimental

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Figura 6. Esquema de “bandas de energía” dediferentes materiales.

que diera la forma de la estructura energética de loselectrones.

Las analogías son sin duda importantes no sólocomo apoyo al proceso de razonamiento sino parafines didácticos, y sirven para aclarar una explica-ción. Así, hemos usado los vagones del Metro y suspasajeros para entender el comportamiento de loselectrones. Sin embargo, no hay que olvidar quelos argumentos dados se basan en cálculos bastanteelaborados dentro del formalismo de la mecánicacuántica y las analogías usadas tienen limitacionesy no sirven para predecir nuevos resultados. Comoen cualquier otra rama de la física, se resuelve elproblema de la conducción en un sólido a partir demodelos que representan a ciertos materiales. El artede modelar consiste en buscar la representación mássencilla que contenga las características fundamen-tales que queremos estudiar y requiere tener siem-

Aislante Conductor Semiconductor

Banda deconducción

Banda devalencia

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B a n d a p r o h i b i d a o “ g a p ”

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pre claras las limitaciones de nuestra aproximación.Es con la ayuda de las matemáticas que estos mode-los alcanzan su capacidad de describir y predecir, yse vuelven teorías científicas.

La existencia de electrones y hoyos es la caracte-rística fundamental de los semiconductores. Es claroque el hoyo no es realmente una partícula, aunquepueda parecer que se mueve como si lo fuera. Cuan-do un pasajero de un vagón lleno deja un hueco,inmediatamente ese espacio es tomado por otro pasa-jero, que deja un hueco detrás de él, con lo cual se creala apareciencia de que su hueco “se movió”. Apro-vechando esta ilusión para considerar al hoyo comouna partícula de carga positiva, los físicos han podi-do describir todos los resultados observados experi-mentalemente.

La primera aplicación de los semiconductores ladieron Guglielmo Marconi y Carl F. Braun, quienesrecibieron el Premio Nobel en 1909 por su trabajoen telegrafía inalámbrica. Su dispositivo está forma-do por la unión de un metal con un semiconductor. Apesar de su éxito, tuvieron que pasar varias décadaspara que los semiconductores entraran a la industriaelectrónica, dominada por los bulbos al vacío.

La aplicación de los semiconductores en electró-nica se inicia a partir del descubrimiento de que seles puede introducir impurezas que aumenten el nú-mero de hoyos (tipo p, por “positivo”) o el número

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de electrones (tipo n, por “negativos”). Estos semi-conductores “envenenados’’ o “dopados”, como seles llama, alcanzan altas conductividades y, al unir-los, forman uniones n-p que presentan propiedadesmuy útiles. Por ejemplo, una de estas uniones fun-ciona como “rectificador” que permite la corrienteeléctrica en una dirección, mas no en la otra.

La investigación tecnológica avanzó lentamente alprincipio, pero con los experimentos realizados ensecreto durante la Segunda Guerra Mundial, entre1948 y 1949 surgió el transistor que vino a revolucio-nar la industria electrónica. Un transistor está hechode combinaciones de uniones p-n-p ó n-p-n y tienediferentes funciones. Puede amplificar señales de co-

Circuitos integrados

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rriente o voltaje, puede modular señales o simplemen-te actuar como interruptor, como en las computado-ras. Debido a su tamaño reducido, a su bajo costo y asu enorme eficiencia, su aparición sustituyó en mu-chos casos a la tecnología de bulbos al vacío.

El uso de los semiconductores ha permitido hacercomponentes electrónicos cada vez más pequeñosque realizan funciones muy complejas a grandesvelocidades y bajo costo. Ésa es la base de los mi-crocircuitos electrónicos integrados. Sus aplicacio-nes son inmensas. Han aumentado enormemente lapotencialidad de las computadoras con el uso de“chips’’ de silicio, donde se coloca un gran númerode elementos electrónicos. Aquí el desarrollo tecno-lógico ha ido acompañado de un efecto económico,pues ha habido una gran reducción de precios.

Sin duda hay que dedicarle un párrafo al semi-conductor más socorrido: el silicio, uno de los ele-mentos más abundantes en la Tierra, componentede las arenas. Su nombre en inglés, silicon, le dio elnombre a la zona de industria tecnológica más fa-mosa del mundo: el Silicon Valley (Valle de silicio),en California. Desde las industrias electrónicas si-tuadas ahí nuestra sociedad se ha ido acostumbran-do a las computadoras, los equipos de sonido, losDVD, los láseres semiconductores y todos esos dis-positivos que llenan nuestra vida y cuyo funcio-namiento analizamos muy poco.

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Cuando sobre una unión n-p incide luz, entran enjuego otras propiedades importantes. Se crean pare-jas electrón-hoyo, por un mecanismo de aumentode energía de los electrones, semejante al descritoen los vagones del Metro. Estas parejas son separa-das por la barrera de la unión n-p, creándose un fe-nómeno llamado efecto fotovoltaico que sirve de basepara la construcción de celdas solares.

Estos dispositivos, que convierten energía solaren electricidad, fueron inventados en 1954; en losaños sesenta se empezaron a utilizar en aplicacio-nes espaciales y actualmente se han vuelto muy im-portantes en aplicaciones terrestres (véase figura 7).

Figura 7. Las celdas solares se usan en el campoy en las carreteras.

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Figura 8. Muestra de silicio poroso preparada en elCentro de Investigación de Energía de la UNAM.

En el Centro de Investigación en Energía de la Uni-versidad Nacional Autónoma de México, ubicadoen Temixco, Morelos, se realiza investigación en cel-das solares utilizando diferentes semiconductores.Se ha priorizado la búsqueda de semiconducto-res que resulten más económicos y pueden ser colo-cados en áreas mayores, aunque su eficiencia seamenor.

La tecnología de los semiconductores fue sin dudala revolución tecnológica de principios del sigloanterior. Ahora, en el siglo XXI estamos en las puer-tas de una nueva revolución: la nanotecnología. En

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este mismo Centro de Investigación de la UNAM seestá trabajando en semiconductores nanoestructura-dos, muy pequeñitos (véase figura 8), formados porunos cuantos átomos, de tamaños de 50 a 100 nanó-metros (un nanómetro se obtiene al dividir un milíme-tro en un millón de partes iguales). Pero eso ya esotra historia, que se contará con otro boleto.

Julia Tagüeña Parga

La doctora Julia Tagüeña, con especialidad en física del es-

tado sólido, es investigadora del Centro de Investigación en

Energía. Ha impartido clases en secundaria, bachillerato, li-

cenciatura y posgrado. Su labor como divulgadora de la cien-

cia la ha realizado a través de conferencias, artículos y libros.

Diseñó y supervisó la Sala de Energía del museo Universum.

Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores, la Aca-

demia Mexicana de Ciencias, la Academia de Ciencias de

Morelos, la Sociedad Mexicana de Física, la American

Physical Society y el lnstitute of Physics. En 2001 obtuvo la

presea Tlacaélel en la categoría de desarrollo científico, y

en marzo de 2003 recibió el Premio Juana Ramírez de Asbaje.

En la actualidad es directora general de Divulgación de la

Ciencia de la UNAM.