Los dispositivos de estado sólido son los componentes de control tanto de los dispositivos de alta tecnología como de los más comunes. Su uso generalizado está relacionado con el hecho de que pueden utilizarse para interactuar con todos los sentidos humanos. Los diodos emisores de luz (LED) y los láseres de estado sólido producen luz que se utiliza en todo tipo de pantallas que interactúan con la vista. Las primeras aplicaciones de los dispositivos de estado sólido fueron el uso de transistores en radios y amplificadores que interactúan con nuestro sentido del oído. Los termoeléctricos son dispositivos de estado sólido que pueden utilizarse para calentar o enfriar, una interfaz con el sentido del tacto. Aunque los dispositivos de estado sólido no emiten olores ni sabores, pueden utilizarse como sensores para controlar sustancias odoríferas o tóxicas, interactuando con los sentidos del olfato y el gusto. Hasta cierto punto, el sentido moderno del tiempo, impulsado por la revolución de la información, se remonta a los dispositivos de estado sólido.
A principios del siglo XXI, se produjeron más dispositivos de estado sólido que cualquier otra cosa fabricada. En una sola oblea de silicio de ocho pulgadas se fabrican más de diez mil millones de componentes. En los años 40, los trabajos de los dispositivos simples de estado sólido se realizaban con tubos de vacío y relés mecánicos. (Si un tubo de vacío cubría una pulgada cuadrada de superficie, los mismos diez mil millones de dispositivos que caben en una oblea de ocho pulgadas cubrirían 6,5 kilómetros cuadrados). La invención del transistor en 1947 en los Laboratorios Bell marcó el comienzo de la era electrónica, empezando por los teléfonos y las radios y, con el tiempo, proporcionando ordenadores cada vez más pequeños y más rápidos, una iluminación más eficiente, un medio para cosechar energía eléctrica del Sol y mucho más.
Los materiales de los dispositivos de estado sólido
Los dispositivos de estado sólido consisten en intrincadas organizaciones de materiales cristalinos que presentan propiedades aislantes, semiconductoras o conductoras. Los aislantes, típicamente compuestos de SiO2, bloquean el flujo de corriente de una parte del dispositivo a otra. Los semiconductores, normalmente silicio o materiales relacionados con el silicio, son los principales materiales de los dispositivos de estado sólido, ya que controlan el número y la velocidad de flujo de los portadores de carga (electrones o huecos). Los agujeros se forman cuando se extrae un electrón y, por tanto, llevan una carga positiva. Los conductores, normalmente metales como el aluminio o el cobre, se utilizan para las conexiones eléctricas de los dispositivos. El diseño, el funcionamiento y la fabricación de dispositivos de estado sólido son generalmente objeto de la física y la ingeniería. Sin embargo, las propiedades de los materiales utilizados para fabricar los dispositivos están determinadas por la química.
La diferencia entre conductores, semiconductores y aislantes viene determinada por la facilidad con la que los electrones (o los huecos) pueden moverse a través del material cristalino. El movimiento (deslocalización) de los electrones, o su localización en o entre átomos particulares, está determinado por el enlace químico. En un cristal, es necesario considerar las interacciones de enlace repetidas entre los muchos átomos en lugar de sólo las interacciones de enlace entre dos átomos en una molécula aislada.
Considere la analogía de enlace entre la molécula de dihidrógeno, H2, y un hipotético cristal de hidrógeno unidimensional, Hn, representado simbólicamente en la figura 1. Cada átomo de hidrógeno tiene un electrón en un orbital atómico . Cuando dos átomos de este tipo se juntan, los electrones se comparten entre ellos en un orbital molecular de enlace, σ, donde los orbitales están en fase entre sí. También se crea un orbital antienlace, σ*, a mayor energía, con los dos orbitales desfasados entre sí. Se crea una situación de enlace estable cuando la configuración electrónica llena los orbitales moleculares de enlace y deja vacíos los orbitales moleculares de antienlace.
Cuando un número aproximadamente infinito de átomos se juntan para formar un cristal, traen consigo un número infinito de orbitales y de electrones correspondientes. Cuando todos estos orbitales están en fase, se obtiene el orbital de menor energía del cristal. Cuando todos están desfasados, se obtiene el orbital cristalino de mayor energía. Pero con el número casi infinito de átomos, y por tanto un número casi infinito de orbitales atómicos, debe haber un número casi infinito de orbitales cristalinos formados con energías intermedias entre los niveles más enlazantes y más antienlazantes. Esta colección de orbitales cristalinos se denomina banda de energía.
Cada banda puede llenarse con electrones de forma similar a como se llena una botella de plástico con arena. Si esa botella de arena está completamente llena, es posible inclinarla o incluso ponerla boca abajo y los granos de arena no se moverán. Si la botella de plástico no está completamente llena (es decir, una banda parcialmente llena), los granos de arena pueden moverse fácilmente cuando se inclina la botella. No están localizados en una posición, sino deslocalizados por toda la superficie superior. De forma similar, los electrones de una banda parcialmente llena están deslocalizados por todo el cristal y pueden conducir la electricidad. La energía de los niveles más altos de llenado se denomina energía de Fermi.
Entendiendo la conductividad
Un conductor metálico es una sustancia que tiene una banda parcialmente llena. Se necesita muy poca energía para mover los electrones de un nivel lleno a un nivel vacío en una banda; esto resulta en una alta conductividad porque no hay una brecha de energía en el nivel de Fermi. Cuando se reduce la temperatura de un conductor metálico, la conductividad aumenta porque el movimiento térmico de los átomos en el cristal se ralentiza, permitiendo que los electrones se muevan más fácilmente.
En cambio, tanto los semiconductores como los aislantes tienen estructuras de banda en las que todas sus bandas electrónicas están completamente llenas o completamente vacías. Como los cristales reales tienen más de un orbital, a diferencia del ejemplo del hidrógeno, habrá varias bandas que den lugar a la estructura de bandas electrónicas. Las bandas llenas de electrones se encuentran por debajo de la energía de Fermi y las bandas a mayor energía están vacías. La diferencia de energía entre la parte más alta de la banda llena y la parte más baja de la banda vacía es la brecha de banda. La diferencia entre un aislante y un semiconductor es el tamaño del band gap. Un material con una brecha de banda inferior a unos 3,5 eV se considera un semiconductor, mientras que los materiales con brechas de banda mayores son aislantes. En un semiconductor, la banda llena por debajo del nivel de Fermi se llama banda de valencia y la banda vacía por encima del nivel de Fermi se llama banda de conducción.
Si se suministra suficiente energía a un semiconductor, un electrón puede ser promovido desde la banda de valencia a la banda de conducción; esto también crea un hueco en la banda de valencia. El electrón promovido a la banda de conducción y/o el hueco que queda en la banda de valencia pueden deslocalizarse a través del cristal, dando lugar a la conductividad electrónica. La magnitud de la conductividad está fuertemente determinada por la energía suministrada al semiconductor. Por esta razón, la conductividad de un semiconductor aumentará con el aumento de la temperatura.
La química de los semiconductores
Las propiedades de un semiconductor están determinadas por la composición elemental del material, su estructura y la presencia de cualquier impureza. Las impurezas, comúnmente denominadas dopantes, añaden propiedades extrínsecas al semiconductor, frente a las propiedades intrínsecas del propio material puro.
Semiconductores intrínsecos. Los elementos del grupo catorce, el carbono, el silicio, el germanio y el estaño, adoptan la estructura cristalina de tipo diamante que se muestra en la figura 3a. También se encuentran otras estructuras cristalinas; por ejemplo, el grafito y el diamante son estructuras cristalinas diferentes del mismo elemento, el carbono. Debido a su tamaño y a las energías orbitales, el carbono forma enlaces muy
fuertes, por lo que en el diamante existe una gran separación energética entre las bandas de enlace y antienlace. Esto da lugar a una gran brecha de banda de 6,0 eV, lo que convierte al diamante en un aislante. En cambio, el enlace entre los elementos más pesados (silicio, germanio y estaño) no es tan fuerte, por lo que la brecha de banda disminuye al bajar por la columna de la Tabla Periódica: silicio, 1,1 eV; germanio, 0,7 eV; y estaño gris, 0,1 eV. Además, a temperaturas inferiores a 13°C (55°F), el estaño sufre una reordenación cristalina hasta llegar a la estructura del estaño blanco, que no tiene brecha de banda porque es metálico.
Los semiconductores compuestos están formados por más de un elemento y ofrecen la posibilidad de ajustar químicamente el tamaño de la brecha de banda. Los semiconductores compuestos típicos combinan elementos del grupo trece y del grupo quince de la Tabla Periódica. Estos semiconductores compuestos también adoptan una estructura cristalina de tipo diamante, pero con alternancia de los tipos de átomos en la red cristalina (Figura 3b). Combinando elementos con tres y cinco electrones de valencia (como el aluminio y el fósforo, respectivamente) -una media de cuatro electrones por átomo- se obtiene un material con propiedades similares al silicio con cuatro electrones de valencia. Sin embargo, debido a que los orbitales del fósforo son de menor energía y los del aluminio de mayor energía que los del silicio, se observa una brecha de banda mayor para el semiconductor compuesto AlP (3,0 eV). La combinación de los elementos más pesados, el galio y el arsénico, forma el arseniuro de galio (GaAs), con una brecha de banda de 1,4 eV. Una química similar es posible al combinar elementos de los grupos doce y dieciséis, que, por ejemplo, dan lugar a los semiconductores sulfuro de zinc (ZnS) y seleniuro de cadmio (CdSe), con brechas de banda de 3,8 eV y 1,8 eV, respectivamente.
Dopantes en semiconductores. La pureza de un semiconductor de grado electrónico debe ser superior al 99,999 por ciento. Sin embargo, el control de la cantidad y el tipo de impureza puede afinar las propiedades del semiconductor. Por ejemplo, la adición de una impureza de fósforo (con cinco electrones de valencia) al silicio (con cuatro electrones de valencia) añade efectivamente un electrón extra por cada átomo de fósforo añadido al cristal. Por tanto, el fósforo es un donante para el silicio. Los átomos de fósforo dopantes desplazarán a los átomos de silicio en el cristal, pero la estructura general del cristal no cambia, ni tampoco la estructura de bandas. Sin embargo, el electrón extra debe ir a la banda de conducción, ya que la banda de valencia ya estaba llena. Esto da lugar a un semiconductor de tipo n. Por el contrario, el dopaje del silicio con aluminio proporciona uno de los pocos electrones, dejando un hueco en la banda de valencia por cada átomo de aluminio añadido. Así, el aluminio es un aceptor del silicio. Al haber perdido electrones, los huecos tienen una carga positiva, formando un semiconductor de tipo p. Dado que la brecha de energía entre los niveles donantes y la banda de conducción (En) o entre los niveles aceptores y la banda de valencia (Ep) es muy pequeña, estos semiconductores dopados mostrarán una mayor conductividad y una dependencia de la temperatura mucho menor que la observada en un semiconductor intrínseco.
La unión P-N. El nivel de Fermi de un semiconductor de tipo p es más bajo en energía que el de un semiconductor de tipo n. Cuando se unen semiconductores de tipo p y n, se crea un nivel de Fermi común por la combinación de huecos y electrones en la interfaz. No hay portadores en esta zona de agotamiento en la unión. Cuando se aplica una tensión positiva al lado de tipo p de la unión p-n y una tensión negativa al lado de tipo n, puede fluir la corriente, ya que la tensión positiva empuja los huecos hacia el cátodo negativo y la tensión negativa empuja los electrones libres hacia el ánodo positivo. Por el contrario, si se conecta la batería a la inversa, aumentará el tamaño de la zona de agotamiento, ya que la tensión negativa conectada al lado p de la unión atraerá más huecos hacia ese electrodo y la tensión positiva conectada al semiconductor de tipo n atraerá electrones hacia el electrodo y los alejará de la unión, dejando una zona de agotamiento mayor. Como resultado, no hay portadores libres y no puede fluir la corriente. Así, esta unión p-n forma el dispositivo de estado sólido más sencillo, conocido como diodo.
Diodos. Los diodos son esencialmente válvulas unidireccionales de conductividad electrónica. Este dispositivo es muy importante en una fuente de alimentación que convierte la corriente alterna en continua, necesaria para muchos dispositivos electrónicos. La conexión de un solo diodo a un circuito eléctrico de CA bloqueará las oscilaciones de tensión positivas o negativas, lo que se describe como media rectificación. La conexión de cuatro diodos (como se muestra en la figura 6) proporcionará una rectificación de onda completa, convirtiendo la CA en corriente continua. La adición de condensadores a este circuito suavizará las oscilaciones de tensión para el funcionamiento real del dispositivo.
Cuando la corriente eléctrica pasa a través de cualquier unión p-n, los electrones que viajan a través de la banda de conducción o los huecos que viajan a través de la banda de valencia pueden recombinarse con huecos o electrones, respectivamente, a través de la brecha de banda. Esta recombinación se produce principalmente en los electrones que han sido empujados a la región de tipo p del diodo y en los huecos que han sido empujados a la región de tipo n del diodo por la tensión externa. Cuando los electrones y los huecos se recombinan a través de la brecha de banda, se libera energía, a menudo como un fotón con una energía igual a la de la brecha de banda. Los semiconductores con brechas de banda entre 1,8 eV y 3,1 eV emiten fotones de luz visible (del rojo al violeta). Son los llamados diodos. De hecho, todos los diodos emiten luz, pero la mayoría tienen una brecha de banda que es menor que la energía de un fotón visible.
Como resultado, la mayoría de los diodos emiten fotones infrarrojos. Esta emisión infrarroja se utiliza para la señalización en muchos dispositivos de control remoto.
Transistores. Los transistores son dispositivos de conmutación y amplificación de estado sólido, y fue su invención en 1947 la que realmente inició la revolución electrónica de finales del siglo XX. Un transistor bipolar n-p-n se forma conectando semiconductores de tipo n a ambos lados de un semiconductor delgado de tipo p. Como se muestra en la Figura 7, el transistor actúa como un interruptor para el circuito conectado a la fuente de alimentación de 10 V. Si se aplica una pequeña tensión negativa a la base (contacto B), los agujeros se retiran del semiconductor de tipo p, creando una barrera aislante. Este es el mismo proceso que intentar forzar la corriente en sentido contrario a través de dos uniones p-n. Como resultado, no fluye la corriente entre ninguno de los contactos. Sin embargo, si se aplica una pequeña tensión positiva al contacto de la base, fluirá algo de corriente a través del bucle de control (electrones que van del emisor a la base). Como la tensión suministrada entre el emisor (contacto E) y el colector (contacto C) es mucho mayor que la tensión de la base, una fracción mucho mayor de los electrones cruzará la fina capa de tipo p, dando lugar a una corriente de colector mucho mayor.
Como se ha descrito anteriormente, el transistor funciona como un simple dispositivo de encendido/apagado, dependiendo del signo de la tensión aplicada a través de la base y el emisor. Como la corriente de base es pequeña y la de colector es grande, este mismo dispositivo de estado sólido puede utilizarse también como amplificador de señal. La relación entre la corriente de colector y la corriente de base es esencialmente constante para un dispositivo determinado. Dado que la corriente de base es proporcional a la tensión base-emisor (tensión entre B y E) y la corriente de colector es proporcional a la tensión emisor-colector (tensión entre E y C), una pequeña oscilación en la entrada de tensión de un micrófono, por ejemplo, en el bucle BE será
amplificada a una gran oscilación en la tensión en el bucle EC, que luego se puede conectar a un altavoz.
Aunque se pueden fabricar diferentes combinaciones de semiconductores en muchos dispositivos de estado sólido, el funcionamiento del dispositivo depende en gran medida de la química de los elementos que componen los semiconductores. El enlace entre los elementos que componen los semiconductores determina la estructura de banda electrónica y el tamaño de la brecha de banda. El número de electrones de valencia determina el llenado de esas bandas y, por tanto, las propiedades electrónicas. Los esfuerzos de investigación en curso continúan para descubrir nuevos semiconductores con nuevas aplicaciones posibles. Además, se están realizando grandes esfuerzos para diseñar dispositivos cada vez más pequeños con el objetivo de pasar de los dispositivos de estado sólido (basados en materiales cristalinos) a los dispositivos de una sola molécula.
James D. Martin
Bibliografía
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Ellis, Arthur B.; Geselbracht, Margret J.; Johnson, Brian J.; Lisensky, George C.; y Robinson, William R. (1993). Teaching General Chemistry: A Materials Science Companion. Washington, DC: American Chemical Society.