Semiconductor, material sólido o líquido capaz de conducir la

Semiconductor, material sólido o líquido capaz de conducir la electricidad mejor
que un aislante, pero peor que un metal. La conductividad eléctrica, que es la
capacidad de conducir la corriente eléctrica cuando se aplica una diferencia de
potencial, es una de las propiedades físicas más importantes. Ciertos metales,
como el cobre, la plata y el aluminio son excelentes conductores. Por otro lado,
ciertos aislantes como el diamante o el vidrio son muy malos conductores. A
temperaturas muy bajas, los semiconductores puros se comportan como
aislantes. Sometidos a altas temperaturas, mezclados con impurezas o en
presencia de luz, la conductividad de los semiconductores puede aumentar de
forma espectacular y llegar a alcanzar niveles cercanos a los de los metales. Las
propiedades de los semiconductores se estudian en la física del estado sólido.
Electrones de conducción y huecos
Entre los semiconductores comunes se encuentran elementos químicos y
compuestos, como el silicio, el germanio, el selenio, el arseniuro de galio, el
seleniuro de cinc y el telururo de plomo. El incremento de la conductividad
provocado por los cambios de temperatura, la luz o las impurezas se debe al
aumento del número de electrones conductores que transportan la corriente
eléctrica. En un semiconductor característico o puro como el silicio, los
electrones de valencia (o electrones exteriores) de un átomo están emparejados
y son compartidos por otros átomos para formar un enlace covalente que
mantiene al cristal unido. Estos electrones de valencia no están libres para
transportar corriente eléctrica. Para producir electrones de conducción, se utiliza
la luz o la temperatura, que excita los electrones de valencia y provoca su
liberación de los enlaces, de manera que pueden transmitir la corriente. Las
deficiencias o huecos que quedan contribuyen al flujo de la electricidad (se dice
que estos huecos transportan carga positiva). Éste es el origen físico del
incremento de la conductividad eléctrica de los semiconductores a causa de la
temperatura.
Dopar
Otro método para obtener electrones para el transporte de electricidad consiste
en añadir impurezas al semiconductor o doparlo. La diferencia del número de
electrones de valencia entre el material dopante (tanto si acepta como si confiere
electrones) y el material receptor hace que crezca el número de electrones de
conducción negativos (tipo n) o positivos (tipo p). Este concepto se ilustra en el
diagrama adjunto, que muestra un cristal de silicio dopado. Cada átomo de silicio
tiene cuatro electrones de valencia (representados mediante puntos). Se
requieren dos para formar el enlace covalente. En el silicio tipo n, un átomo
como el del fósforo (P), con cinco electrones de valencia, reemplaza al silicio y
proporciona electrones adicionales. En el silicio tipo p, los átomos de tres
electrones de valencia como el aluminio (Al) provocan una deficiencia de
electrones o huecos que se comportan como electrones positivos. Los
electrones o los huecos pueden conducir la electricidad.
Cuando ciertas capas de semiconductores tipo p y tipo n son adyacentes,
forman un diodo de semiconductor, y la región de contacto se llama unión pn. Un
diodo es un dispositivo de dos terminales que tiene una gran resistencia al paso
de la corriente eléctrica en una dirección y una baja resistencia en la otra. Las
propiedades de conductividad de la unión pn dependen de la dirección del
voltaje, que puede a su vez utilizarse para controlar la naturaleza eléctrica del
dispositivo. Algunas series de estas uniones se usan para hacer transistores y
otros dispositivos semiconductores como células solares, láseres de unión pn y
rectificadores. Véase Electrónica; Energía solar.
Los dispositivos semiconductores tienen muchas aplicaciones en la ingeniería
eléctrica. Los últimos avances de la ingeniería han producido pequeños chips
semiconductores que contienen cientos de miles de transistores. Estos chips han
hecho posible un enorme grado de miniaturización en los dispositivos
electrónicos. La aplicación más eficiente de este tipo de chips es la fabricación
de circuitos de semiconductores de metal-óxido complementario o CMOS, que
están formados por parejas de transistores de canal p y n controladas por un
solo circuito. Además, se están fabricando dispositivos extremadamente
pequeños utilizando la técnica epitaxial de haz molecular.
Resistencia, propiedad de un objeto o sustancia que hace que se resista u
oponga al paso de una corriente eléctrica. La resistencia de un circuito eléctrico
determina —según la llamada ley de Ohm— cuánta corriente fluye en el circuito
cuando se le aplica un voltaje determinado. La unidad de resistencia es el ohmio,
que es la resistencia de un conductor si es recorrido por una corriente de un
amperio cuando se le aplica una tensión de 1 voltio. La abreviatura habitual para
la resistencia eléctrica es R, y el símbolo del ohmio es la letra griega omega, Ω.
En algunos cálculos eléctricos se emplea el inverso de la resistencia, 1/R, que se
denomina conductancia y se representa por G. La unidad de conductancia es
siemens, cuyo símbolo es S. Aún puede encontrarse en ciertas obras la
denominación antigua de esta unidad, mho.
La resistencia de un conductor viene determinada por una propiedad de la
sustancia que lo compone, conocida como conductividad, por la longitud por la
superficie transversal del objeto, así como por la temperatura. A una temperatura
dada, la resistencia es proporcional a la longitud del conductor e inversamente
proporcional a su conductividad y a su superficie transversal. Generalmente, la
resistencia de un material aumenta cuando crece la temperatura.
El término resistencia también se emplea cuando se obstaculiza el flujo de un
fluido o el flujo de calor. El rozamiento crea resistencia al flujo de fluido en una
tubería, y el aislamiento proporciona una resistencia térmica que reduce el flujo
de calor desde una temperatura más alta a una más baja.
Circuito integrado, pequeño circuito electrónico utilizado para realizar una
función electrónica específica, como la amplificación. Se combina por lo general
con otros componentes para formar un sistema más complejo y se fabrica
mediante la difusión de impurezas en silicio monocristalino, que sirve como
material semiconductor, o mediante la soldadura del silicio con un haz de flujo de
electrones. Varios cientos de circuitos integrados idénticos se fabrican a la vez
sobre una oblea de pocos centímetros de diámetro. Esta oblea a continuación se
corta en circuitos integrados individuales denominados chips. En la integración a
gran escala (LSI, acrónimo de Large-Scale Integration) se combinan
aproximadamente 5.000 elementos, como resistencias y transistores, en un
cuadrado de silicio que mide aproximadamente 1,3 cm de lado. Cientos de estos
circuitos integrados pueden colocarse en una oblea de silicio de 8 a 15 cm de
diámetro. La integración a mayor escala puede producir un chip de silicio con
millones de elementos. Los elementos individuales de un chip se interconectan
con películas finas de metal o de material semiconductor aisladas del resto del
circuito por capas dieléctricas. Para interconectarlos con otros circuitos o
componentes, los chips se montan en cápsulas que contienen conductores
eléctricos externos. De esta forma se facilita su inserción en placas. Durante los
últimos años la capacidad funcional de los circuitos integrados ha ido en
aumento de forma constante, y el coste de las funciones que realizan ha
disminuido igualmente. Esto ha producido cambios revolucionarios en la
fabricación de equipamientos electrónicos, que han ganado enormemente en
capacidad funcional y en fiabilidad. También se ha conseguido reducir el tamaño
de los equipos y disminuir su complejidad física y su consumo de energía. La
tecnología de los ordenadores o computadoras se ha beneficiado especialmente
de todo ello. Las funciones lógicas y aritméticas de una computadora pequeña
pueden realizarse en la actualidad mediante un único chip con integración a
escala muy grande (VLSI, acrónimo de Very Large Scale Integration) llamado
microprocesador, y todas las funciones lógicas, aritméticas y de memoria de una
computadora, pueden almacenarse en una única placa de circuito impreso, o
incluso en un único chip. Un dispositivo así se denomina microordenador o
microcomputadora.
En electrónica de consumo, los circuitos integrados han hecho posible el
desarrollo de muchos nuevos productos, como computadoras y calculadoras
personales, relojes digitales y videojuegos. Se han utilizado también para
mejorar y rebajar el coste de muchos productos existentes, como los televisores,
los receptores de radio y los equipos de alta fidelidad. Su uso está muy
extendido en la industria, la medicina, el control de tráfico (tanto aéreo como
terrestre), control medioambiental y comunicaciones.