Los semiconductores son elementos que tienen una conductividad eléctrica inferior a la de un conductor metálico pero superior a la de un buen aislante. El semiconductor más utilizado es el silicio, que es el elemento más abundante en la naturaleza, después del oxígeno. Otros semiconductores son el germanio y el selenio. Los átomos de silicio tienen su orbital externo incompleto con sólo cuatro electrones, denominados electrones de valencia. Estos átomos forman una red cristalina, en la que cada átomo comparte sus cuatro electrones de valencia con los cuatro átomos vecinos, formando enlaces covalentes. A temperatura ambiente, algunos electrones de valencia absorben suficiente energía calorífica para librarse del enlace covalente y moverse a través de la red cristalina, convirtiéndose en electrones libres. Si a estos electrones, que han roto el enlace covalente, se les somete al potencial eléctrico de una pila, se dirigen al polo positivo.
El comportamiento eléctrico de un semiconductor semiconductor se caracteriza por los siguientes fenómenos: fenómenos:
- Los electrones libres son portadores de carga negativa y se dirigen hacia el polo positivo de la pila. - Los huecos son portadores de carga positiva y se dirigen hacia el polo negativo de la pila. - Al conectar una pila, circula una corriente eléctrica en el circuito cerrado, siendo constante en todo momento el número de electrones dentro del cristal de silicio. - Los huecos sólo existen en el seno del cristal semiconductor. semiconductor. Por el conductor exterior sólo circulan los electrones que dan lugar a la corriente eléctrica.
Semiconductores intrínsecos: intrínsecos : Es un cristal de silicio o germanio que forma una estructura tetraédrica similar a la del carbono mediante enlaces covalentes entre sus átomos, en la figura representados en el plano por simplicidad. Cuando el cristal se encuentra a temperatura ambiente algunos electrones pueden absorber la energía necesaria para saltar a la banda de conducción dejando el correspondiente hueco en la banda de valencia.
Si a un semiconductor intrínseco, como el anterior, se le añade un pequeño porcentaje de impurezas, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes, el semiconductor se denomina extrínseco, y se dice que está dopado. Evidentemente, las impurezas deberán formar parte de la estructura cristalina sustituyendo al correspondiente átomo de silicio. Hoy en día se han logrado añadir impurezas de una parte por cada 10 millones, logrando con ello una modificación del material.
Semiconductor tipo N: Se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso negativos o electrones). Cuando se añade el material dopante, aporta sus electrones más débilmente vinculados a los átomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es también conocido como material donante, ya que da algunos de sus electrones.
Semiconductor tipo P: Se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso positivos o huecos). Cuando se añade el material dopante libera los electrones más débilmente vinculados de los átomos del semiconductor. Este agente dopante es también conocido como material aceptor y los átomos del semiconductor que han perdido un electrón son conocidos como huecos.
APLICACIONES EN DISPOSITIVOS ELECTRICOS:
Se han desarrollado muchos dispositivos electrónicos utilizando las propiedades de transporte de los semiconductores; el uso de semiconductores en la industria electrónica ha aumentado de forma importante. Así, veremos algunas de las más importantes:
Termistores: se basan en la propiedad de que la conductividad depende de la temperatura para medir dicha
temperatura. También se usan en otros dispositivos, como en alarmas contra incendio.
Transductores de presión : al aplicar presión a un semiconductor, los átomos son forzados a acercarse, el gap
de energía se estrecha y la conductividad aumenta. Midiendo la conductividad, se puede conocer la presión que actúa sobre ese material.
Rectificadores (dispositivos de unión tipo p-n) : se producen uniendo un semiconductor tipo
formando una unión tipo
p-n.
Los electrones se concentran en la unión tipo
n y
n con
otro tipo
los huecos en la unión
p.
p,
El
desequilibrio electrónico resultante crea un voltaje a través de la unión.
Transistores de unión bipolar : un transistor se puede usar como interruptor o como amplificador. El transistor de
unión bipolar (BJT), se suele utilizar en unidades de procesamiento central de computadoras por su rápida respuesta a la conmutación.
Transistores de efecto de campo : utilizado frecuentemente para almacenar información en la memoria de los
ordenadores. El transistor de efecto de campo (FET), se comporta de forma algo distinta a los de unión bipolar.
APLICACIONES PARA DIODOS DE UNION P-N.
Diodos rectificadores : Uno de los usos más importantes de estos diodos de unión p-n es convertir corriente alterna en corriente continua, lo que se conoce como rectificación. Al aplicar una señal de corriente alterna a un diodo de unión p-n, este conducirá sólo cuando la región p tenga aplicado un voltaje positivo con respecto a la región n, por lo que se produce una rectificación de media onda. Esta señal se suaviza con otros dispositivos y circuitos electrónicos, para dar una corriente continua estable.
Diodos de avalancha : También se les llama diodos zener; son rectificadores de Si. En la polarización inversa se produce una pequeña fuga de corriente, debido al movimiento de electrones y huecos térmicamente activados. Al hacerse demasiado grande la polarización inversa, cualquier portador que llegue a fugarse se acelerara lo suficiente para excitar a portadores de carga, causando una corriente elevada en dirección inversa. Debido a este fenómeno se pueden diseñar dispositiv os limitadores de voltaje. Al dopar adecuadamente la unión p-n, se puede seleccionar el voltaje de avalancha o de ruptura. Al aumentar mucho el voltaje, por encima del de ruptura, fluir á una corriente elevada a través de la unión, así se evita que pase por el resto del circuito; por eso se utilizan para proteger circuitos contra voltajes accidentales.
TRANSISTOR DE UNION BIPOLAR.
Un transistor de unión bipolar es un apilamiento de materiales semiconductores en secuencia n-p-n-p-n-p. En el transistor se pueden distinguir tres zonas:
Emisor : emite portadores de carga, como es de tipo n, emite electrones. Base: controla el flujo de los portadores de carga, es de tipo p. Esta se hace muy delgada (del orden de 10
-3
cm
de espesor) y se dopa, de forma que solo una pequeña fracción de los portadores que viene del emisor se combinará con los portadores mayoritarios de la base con carga opuesta.
Colector : recoge los portadores de carga provenientes del emisor; la zona del colector es del tipo n, recoge
electrones.
Fabricación de dispositivos semiconductores se ha extendido desde Texas y California en la década de 1960 para el resto del mundo, como Europa, Oriente Medio y Asia. Es una empresa global de hoy. Los principales fabricantes de semiconductores suelen tener instalaciones en todo el mundo. Intel, el mayor fabricante del mundo, cuenta con instalaciones en Europa y Asia, así como los de Estados Unidos Otros de los mejores fabricantes incluyen Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, STMicroelectronics, An al og
De vi ce s,
In te gr at ed
De vi ce
Te ch no lo gy ,
At me l,
Fr ee sc al e
Se mi co nd uc to r,
Sa ms un g,
Te xa s
Instruments,
IBM,
GlobalFoundries,
Toshiba,
NEC
Electronics,
Infineon,
Renesas,
Fujitsu,
NXP
Semiconductors, Micron Technology, Hynix y SMIC. Obleas Una oblea típica está hecho de silicio muy puro que se cultiva en lingotes cilíndricos monocristalinos hasta 300 mm de diámetro utilizando el proceso Czochralsk i. Estos lingotes son luego cort ados en obleas de aproximadamente 0,75 mm de espesor y pulido para obtener una su perficie muy regular y plana. Una vez que las obleas son pr eparados, muchos pasos de proceso son necesarios para producir el circuito integrado semiconductor deseado. En general, los pasos se pueden agrupar en dos partes principales:
Front-end de procesamiento en línea
Back-end de procesamiento en línea
Tratamiento
En fabricación de dispositivos semiconductores, las diversas etapas de procesamiento se divide n en cuatro categorías generales: deposición, eliminación, patrones, y la modificación de las propie dades eléctricas.
La deposición es cualquier proceso que crece, abrigos, o transfiera de otro modo un material sobre la oblea. Las tecnologías disponibles consisten de deposición física de vapor, deposición química de vapor, deposición electroquímica, epitaxia de haces moleculares y, más recientemente, la deposición de capa atómica entre otros.
Procesos de eliminación son ninguno que eliminar el material de la oblea a granel o selectiva y consisten principalmente en procesos de grabado, ya sea grabado húmedo o grabado en seco. Planarización químicomecánica es también un proceso de eliminación utilizado entre los niveles.
Patrones cubre la serie de procesos que dan forma a o alterar la forma existente de los materiales depositados y se denomina generalmente como la litografía. Por ejemplo, en la litografía convencional, la oblea se recubre con una sustancia química llamada una resina fotosensible. La resina fotosensible se expone por un paso a paso, una máquina que se centra, alinea, y se mueve la máscara, dejando al descubierto porciones selectas de la oblea a la luz de longitud de onda corta. Las regiones expuestas se eliminan por lavado por una solución de revelador. Después del grabado u otro procesamiento, la resina fotosensible restante se elimina por incineración de plasma.
Modificación de las propiedades eléctricas ha consistido históricamente de dopaje fuentes transistores y desagües originalmente por hornos de difusión y más tarde por la implantación de iones. Estos procesos de dopaje son seguidos por horno de recocido o en dispositivos avanzados, por recocido térmico rápido, que sirven para activar los dopantes implantados. Modificación de las propiedades eléctricas ahora también se extiende a la reducción de la constante en los materiales aislantes de baja k a través de la exposición a la luz ultravioleta en el procesamiento de UV dieléctrica.
Los microprocesadores modernos tienen hasta once niveles de metales producidos en más de 300 etapas de tratamiento secuenciado.
