Semiconductor

Los semiconductores en su estado natural son malos conductores porque la corriente requiere el flujo de electrones, y los semiconductores tienen sus bandas de valencia llenas, lo que impide el flujo completo de nuevos electrones. Varias técnicas desarrolladas permiten que los materiales semiconductores se comporten como materiales conductores, como el dopaje o la compuerta . Estas modificaciones tienen dos resultados: tipo n y tipo p . Estos se refieren al exceso o la escasez de electrones, respectivamente. Un número equilibrado de electrones provocaría que la corriente fluyera a través del material. ^{[ 10 ]}

Las homouniones se producen cuando se unendos materiales semiconductores con diferente dopaje ^{[ 11 ]} . Por ejemplo, una configuración podría consistir en germanio dopado con tipo p y germanio dopado con tipo n . Esto da como resultado un intercambio de electrones y huecos entre los materiales semiconductores con diferente dopaje. El germanio dopado con tipo n tendría un exceso de electrones, y el germanio dopado con tipo p tendría un exceso de huecos. La transferencia se produce hasta que se alcanza un equilibrio mediante un proceso llamado recombinación , que hace que los electrones migrantes del tipo n entren en contacto con los huecos migrantes del tipo p. ^{[ 12 ]} El resultado de este proceso es una estrecha franja de iones inmóviles , que causa un campo eléctrico a través de la unión. ^{[ 7 ] [ 10 ]}

Una diferencia en el potencial eléctrico de un material semiconductor provocaría que este abandonara el equilibrio térmico y creara una situación de no equilibrio. Esto introduce electrones y huecos en el sistema, que interactúan mediante un proceso denominado difusión ambipolar . Cuando se altera el equilibrio térmico en un material semiconductor, cambia el número de huecos y electrones. Estas alteraciones pueden producirse como resultado de una diferencia de temperatura o de fotones , que pueden entrar en el sistema y crear electrones y huecos. Los procesos que crean o aniquilan electrones y huecos se denominan generación y recombinación, respectivamente. ^{[ 10 ]}

En ciertos semiconductores, los electrones excitados pueden relajarse emitiendo luz en lugar de producir calor. ^{[ 13 ]} El control de la composición del semiconductor y la corriente eléctrica permite manipular las propiedades de la luz emitida. ^{[ 14 ]} Estos semiconductores se utilizan en la construcción de diodos emisores de luz y puntos cuánticos fluorescentes .

Los semiconductores con alta conductividad térmica pueden utilizarse para la disipación de calor y la mejora de la gestión térmica de los componentes electrónicos. Desempeñan un papel crucial en vehículos eléctricos , LED de alto brillo y módulos de potencia , entre otras aplicaciones. ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

Los semiconductores tienen altos factores de potencia termoeléctrica, lo que los hace útiles en generadores termoeléctricos , así como altos índices de mérito termoeléctrico, lo que los hace útiles en refrigeradores termoeléctricos . ^{[ 18 ]}

Casi toda la tecnología electrónica actual implica el uso de semiconductores, siendo el aspecto más importante los circuitos integrados (CI), que se encuentran en ordenadores de sobremesa , portátiles , teléfonos inteligentes y otros dispositivos electrónicos. Los semiconductores para CI se producen en masa. Para crear un material semiconductor ideal, la pureza química es fundamental. Cualquier pequeña imperfección puede tener un efecto drástico en el comportamiento del material semiconductor debido a la escala a la que se utilizan los materiales. ^{[ 10 ]}

También se requiere un alto grado de perfección cristalina, ya que los defectos en la estructura cristalina (como dislocaciones , maclas y defectos de apilamiento ) interfieren con las propiedades semiconductoras del material. Los defectos cristalinos son una causa importante de dispositivos semiconductores defectuosos. Cuanto mayor sea el cristal, más difícil será lograr la perfección necesaria. Los procesos actuales de producción en masa utilizan lingotes de cristal de entre 100 y 300 mm (3,9 y 11,8 pulgadas) de diámetro, cultivados como cilindros y cortados en obleas . La forma redonda característica de estas obleas proviene de lingotes monocristalinos que generalmente se producen utilizando el método Czochralski . Las obleas de silicio se introdujeron por primera vez en la década de 1940. ^{[ 22 ] [ 23 ]}  

There is a combination of processes that are used to prepare semiconducting materials for ICs. One process is called thermal oxidation, which forms silicon dioxide on the surface of the silicon. This is used as a gate insulator and field oxide. Other processes are called photomasks and photolithography. This process is what creates the patterns on the circuit in the integrated circuit. Ultraviolet light is used along with a photoresist layer to create a chemical change that generates the patterns for the circuit.^[10]

The etching is the next process that is required. The part of the silicon that was not covered by the photoresist layer from the previous step can now be etched. The main process typically used today is called plasma etching. Plasma etching usually involves an etch gas pumped in a low-pressure chamber to create plasma. A common etch gas is chlorofluorocarbon, or more commonly known Freon. A high radio-frequencyvoltage between the cathode and anode is what creates the plasma in the chamber. The silicon wafer is located on the cathode, which causes it to be hit by the positively charged ions that are released from the plasma. The result is silicon that is etched anisotropically.^[7][10]

The last process is called diffusion. This is the process that gives the semiconducting material its desired semiconducting properties. It is also known as doping. The process introduces an impure atom to the system, which creates the p–n junction. To get the impure atoms embedded in the silicon wafer, the wafer is first put in a 1,100 degree Celsius chamber. The atoms are injected in and eventually diffuse with the silicon. After the process is completed and the silicon has reached room temperature, the doping process is done and the semiconducting wafer is almost prepared.^[7][10]

Los semiconductores se definen por su comportamiento conductor eléctrico único, en algún punto entre el de un conductor y un aislante. ^{[ 24 ]} Las diferencias entre estos materiales pueden entenderse en términos de los estados cuánticos de los electrones, cada uno de los cuales puede contener cero o un electrón (por el principio de exclusión de Pauli ). Estos estados están asociados con la estructura de bandas electrónicas del material. La conductividad eléctrica surge debido a la presencia de electrones en estados que están deslocalizados (que se extienden a través del material); sin embargo, para transportar electrones, un estado debe estar parcialmente lleno , conteniendo un electrón solo parte del tiempo. ^{[ 25 ]} Si el estado siempre está ocupado por un electrón, entonces es inerte, bloqueando el paso de otros electrones a través de ese estado. Las energías de estos estados cuánticos son críticas ya que un estado está parcialmente lleno solo si su energía está cerca del nivel de Fermi (ver estadística de Fermi-Dirac ).

La alta conductividad de un material proviene de la presencia de numerosos estados parcialmente llenos y una gran deslocalización de estados. Los metales son buenos conductores eléctricos y poseen muchos estados parcialmente llenos con energías cercanas a su nivel de Fermi. Los aislantes , por el contrario, tienen pocos estados parcialmente llenos; sus niveles de Fermi se encuentran dentro de brechas de banda con pocos estados de energía disponibles. Es importante destacar que un aislante puede volverse conductor al aumentar su temperatura: el calentamiento proporciona energía para promover el paso de algunos electrones a través de la brecha de banda, induciendo estados parcialmente llenos tanto en la banda de estados por debajo de la brecha de banda ( banda de valencia ) como en la banda de estados por encima de la brecha de banda ( banda de conducción ). Un semiconductor (intrínseco) tiene una brecha de banda menor que la de un aislante y, a temperatura ambiente, un número significativo de electrones puede excitarse para cruzar la brecha de banda. ^{[ 26 ]}

Un semiconductor puro, sin embargo, no es muy útil, ya que no es ni un buen aislante ni un buen conductor. No obstante, una característica importante de los semiconductores (y de algunos aislantes, conocidos como semi-aislantes ) es que su conductividad puede incrementarse y controlarse mediante el dopaje con impurezas y la aplicación de campos eléctricos. El dopaje y la aplicación de campos eléctricos acercan considerablemente la banda de conducción o la de valencia al nivel de Fermi y aumentan notablemente el número de estados parcialmente llenos.

Algunos materiales semiconductores de banda prohibida ancha se denominan a veces semi-aislantes . Sin dopar, su conductividad eléctrica es similar a la de los aislantes eléctricos; sin embargo, pueden doparse (lo que los hace tan útiles como los semiconductores). Los semi-aislantes tienen aplicaciones específicas en microelectrónica, como sustratos para HEMT . Un ejemplo de semi-aislante común es el arseniuro de galio . ^{[ 27 ]} Algunos materiales, como el dióxido de titanio , pueden incluso utilizarse como materiales aislantes para ciertas aplicaciones, mientras que se tratan como semiconductores de banda prohibida ancha para otras.

El llenado parcial de los estados en la parte inferior de la banda de conducción puede entenderse como la adición de electrones a esa banda. Los electrones no permanecen indefinidamente (debido a la recombinación térmica natural ) pero pueden moverse durante algún tiempo. La concentración real de electrones es típicamente muy diluida, y por lo tanto (a diferencia de los metales) es posible pensar en los electrones en la banda de conducción de un semiconductor como una especie de gas ideal clásico , donde los electrones se mueven libremente sin estar sujetos al principio de exclusión de Pauli . En la mayoría de los semiconductores, las bandas de conducción tienen una relación de dispersión parabólica , y por lo tanto estos electrones responden a las fuerzas (campo eléctrico, campo magnético, etc.) de manera muy similar a como lo harían en el vacío, aunque con una masa efectiva diferente . ^{[ 26 ]} Debido a que los electrones se comportan como un gas ideal, también se puede pensar en la conducción en términos muy simples como el modelo de Drude , e introducir conceptos como la movilidad de los electrones .

Para el llenado parcial en la parte superior de la banda de valencia, es útil introducir el concepto de hueco de electrón . Aunque los electrones en la banda de valencia siempre están en movimiento, una banda de valencia completamente llena es inerte y no conduce corriente. Si se extrae un electrón de la banda de valencia, la trayectoria que normalmente habría seguido ahora carece de su carga. Para efectos de la corriente eléctrica, esta combinación de la banda de valencia completa, menos el electrón, puede convertirse en una imagen de una banda completamente vacía que contiene una partícula con carga positiva que se mueve de la misma manera que el electrón. Combinado con la masa efectiva negativa de los electrones en la parte superior de la banda de valencia, llegamos a la imagen de una partícula con carga positiva que responde a los campos eléctricos y magnéticos como lo haría una partícula normal con carga positiva en el vacío, nuevamente con una masa efectiva positiva. ^{[ 26 ]} Esta partícula se llama hueco, y el conjunto de huecos en la banda de valencia puede entenderse nuevamente en términos clásicos simples (como con los electrones en la banda de conducción).

La conductividad de los semiconductores se puede modificar fácilmente introduciendo impurezas en su red cristalina . El proceso de añadir impurezas controladas a un semiconductor se conoce como dopaje . La cantidad de impureza, o dopante, añadida a un semiconductor intrínseco (puro) varía su nivel de conductividad. ^{[ 29 ]} Los semiconductores dopados se denominan extrínsecos . ^{[ 30 ]} Al añadir impurezas a los semiconductores puros, la conductividad eléctrica puede variar en factores de miles o millones. ^{[ 31 ]}

Una muestra de 1 ^cm³  de un metal o semiconductor tiene el orden de ^10²² átomos. ^{[ 32 ]} En un metal, cada átomo dona al menos un electrón libre para la conducción, por lo que 1 cm³ de metal contiene del orden de ^10²² electrones libres, ^{[ 33 ]} mientras que una muestra de 1 cm³ de germanio puro a ²⁰ ° C ^contiene aproximadamente   4,2 × 10 ²² átomos, pero solo2,5 × 10 ¹³ electrones libres y2,5 × 10¹³ huecos. La adición de 0,001 % de arsénico ^{( una impureza) dona 10¹⁷} electrones libres adicionales en el mismo volumen y la conductividad eléctrica aumenta en un factor de 10 000. ^{[ 34 ] [ 35 ]}

Los materiales elegidos como dopantes adecuados dependen de las propiedades atómicas tanto del dopante como del material a dopar. En general, los dopantes que producen los cambios controlados deseados se clasifican como aceptores o donadores de electrones . Los semiconductores dopados con impurezas donadoras se denominan de tipo n , mientras que los dopados con impurezas aceptoras se conocen como de tipo p . Las designaciones de tipo n y p indican qué portador de carga actúa como portador mayoritario del material . El portador opuesto se denomina portador minoritario , que existe debido a la excitación térmica a una concentración mucho menor en comparación con el portador mayoritario. ^{[ 36 ]}

For example, the pure semiconductor silicon has four valence electrons that bond each silicon atom to its neighbors.^[37] In silicon, the most common dopants are group III and group V elements. Group III elements all contain three valence electrons, causing them to function as acceptors when used to dope silicon. When an acceptor atom replaces a silicon atom in the crystal, a vacant state (an electron "hole") is created, which can move around the lattice and function as a charge carrier. Group V elements have five valence electrons, which allows them to act as a donor; substitution of these atoms for silicon creates an extra free electron. Therefore, a silicon crystal doped with boron creates a p-type semiconductor whereas one doped with phosphorus results in an n-type material.^[38]

During manufacture, dopants can be diffused into the semiconductor body by contact with gaseous compounds of the desired element, or ion implantation can be used to accurately position the doped regions.

Some materials, when rapidly cooled to a glassy amorphous state, have semiconducting properties. These include B, Si, Ge, Se, and Te, and there are multiple theories to explain them.^[39][40]

Los detectores y rectificadores de potencia no podían amplificar una señal. Se hicieron muchos esfuerzos para desarrollar un amplificador de estado sólido y se logró desarrollar un dispositivo llamado transistor de contacto puntual que podía amplificar 20  dB o más. ^{[ 49 ]} En 1922, Oleg Losev desarrolló amplificadores de resistencia negativa de dos terminales para radio, pero murió en el Sitio de Leningrado después de completarlos con éxito. En 1926, Julius Edgar Lilienfeld patentó un dispositivo similar a un transistor de efecto de campo , pero no era práctico. Rudolf Hilsch y RW Pohl en 1938 demostraron un amplificador de estado sólido utilizando una estructura similar a la rejilla de control de un tubo de vacío; aunque el dispositivo mostró ganancia de potencia, tenía una frecuencia de corte de un ciclo por segundo, demasiado baja para cualquier aplicación práctica, pero una aplicación efectiva de la teoría disponible. ^{[ 42 ]} En Bell Labs , William Shockley y A. Holden comenzaron a investigar amplificadores de estado sólido en 1938. La primera unión p-n en silicio fue observada por Russell Ohl alrededor de 1941 cuando se encontró que una muestra era sensible a la luz, con un límite nítido entre la impureza de tipo p en un extremo y el tipo n en el otro. Una sección cortada de la muestra en el límite p-n desarrolló un voltaje cuando se expuso a la luz.

El primer transistor funcional fue un transistor de contacto puntual inventado por John Bardeen , Walter Houser Brattain y William Shockley en los Laboratorios Bell en 1947. Shockley había teorizado previamente sobre un amplificador de efecto de campo hecho de germanio y silicio, pero no logró construir un dispositivo funcional, antes de finalmente usar germanio para inventar el transistor de contacto puntual. ^{[ 50 ]} En Francia, durante la guerra, Herbert Mataré había observado amplificación entre contactos puntuales adyacentes en una base de germanio. Después de la guerra, el grupo de Mataré anunció su amplificador " Transistron " poco después de que los Laboratorios Bell anunciaran el " transistor ".

En 1954, el químico físico Morris Tanenbaum fabricó el primer transistor de unión de silicio en los Laboratorios Bell . ^{[ 51 ]} Sin embargo, los primeros transistores de unión eran dispositivos relativamente voluminosos y difíciles de fabricar en masa , lo que los limitaba a una serie de aplicaciones especializadas. ^{[ 52 ]}