Materiales para aplicaciones en electrónica (semiconductores)

Las propiedades en un material determinan el uso y aplicaciones que se les da. Para poder emplear algún material en la electrónica debe presentar ciertas propiedades eléctricas que son básicamente las reacciones de un material cuando se le aplica un campo eléctrico, es fundamental la capacidad de conducción eléctrica del material.

La capacidad de conducción es la facilidad con la que un material transmite una corriente eléctrica, empleando éste parámetro existe una clasificación de los materiales sólidos: conductores, semiconductores y aislantes. Entre los mejores conductores están los metales.  La corriente eléctrica resulta del movimiento de partículas cargadas que responden a un campo eléctrico aplicado. La temperatura influye directamente en la resistividad de un material a la conducción, pues cuando aumenta la temperatura también aumentan las vibraciones que sirven como centros de dispersión de los electrones y limitan la movilidad de los portadores de carga. Otro factor muy importante es la concentración y naturaleza de impurezas y finalmente la deformación plástica también incrementa la resistencia porque el aumento de dislocaciones aumenta el número de dispersiones de electrones.

            No todos los electrones se aceleran en presencia de un campo eléctrico y esto se relaciona directamente con el arreglo de los estados electrónicos o niveles y la forma en cómo los electrones ocupan dichos niveles. Un material solido está compuesto por un gran número de átomos, digamos por ejemplo que un material está compuesto por N átomos los cuales se encuentran inicialmente separados unos de otros. Los N átomos se acercan y se juntan para formar la estructura cristalina del material. Cuando la distancia de separación es relativamente grande entre los átomos, cada átomo actuará como independiente de los otros y tendrá los niveles de energía y la configuración de los electrones de un átomo aislado. Sin embargo, a medida que los átomos se acercan, sus electrones son perturbados por los electrones y núcleos de los átomos adyacentes. La perturbación es tan significativa que cada estado de energía de los electrones se divide en una serie de estados muy cercanos unos de otros, formando lo que llamamos la banda de energía de los electrones. La magnitud en que se dividen los estados de energía depende de la separación entre los átomos y comienza con los niveles de energía más externos, ya que éstos son los primeros en ser perturbados por los átomos adyacentes. Dentro de cada banda, los estados de energía son discretos, sin embargo la diferencia entre estados adyacentes es muy pequeña. Cuando los átomos se encuentran a su distancia de equilibrio, la formación de bandas para los niveles cercanos al núcleo puede no darse formando espacios vacíos o gaps entre bandas adyacentes. 

            La semiconductividad es una característica de ciertos materiales de conducir o no una corriente. Un material semiconductor puede presentar semiconducción intrínseca que se basa en la estructura electrónica inherente del material puro o extrínseca que es producto de las impurezas atómicas presentes en un material. Los semiconductores intrísecos más importantes son el silicio y el germanio que pertenecen al grupo IVA de la tabla periódica y presentan enlaces covalente, entre otros materiales semiconductores compuestos que muestran un comportamiento intrínseco; mientras más alejados estén los átomos componentes del material en la tabla periódica mayor es el carácter iónico y la magnitud de la banda gap aumenta y vuelve el material más aislante.

Se le llama semiconducción extrínseca, ya que el fenómeno eléctrico se da gracias a la presencia de impurezas en el material, ya que estas hacen que existan más electrones o en dado caso huecos en la red electrónica del material. Los semiconductores extrínsecos se califican,  dependiendo el tipo de impureza que tengan, de la siguiente manera:

·         Tipo n: el fenómeno se da gracias a que un átomo con cinco electrones de valencia sustituye a otro en la red de átomos con cuatro electrones de valencia, lo que se conoce como impureza, y por lo tanto como solo cuatro electrones son capaces de crear un enlace covalente con los demás átomos vecinos, el electrón sobrante se queda débilmente atraído por la región donde se encuentra la impureza por una fuerza electrostática muy pequeña por lo cual es fácil excitarlo y así  hacerlo pasar a los niveles de conducción eléctrica. La impureza puede ser un átomo del grupo V A (P, As, Sb).

·         Tipo p: los materiales tipo p tienen un efecto contrario provocado por la sustitución de un átomo del grupo III A (Al, B, Ga) por otro en la red de átomos con cuatro átomos de valencia (usualmente silicio o germanio), ya que al solo tener tres electrones de valencia provocan que se produzca un hueco en los enlaces covalentes del material. Por lo cual el hueco puede atraer un electrón de algún átomo vecino lo cual provocaría que el hueco quedara en el átomo vecino, lo que se conoce como el estado excitado del hueco. Este tipo de impurezas producen un nivel de energía entre el gap y justo encima de la banda de valencia, por lo tanto gracias a la excitación de los electrones en la banda de valencia, estos saltan al nivel producido por la impureza y como consecuencia se crea un hueco en la banda de valencia.

            Para que un material del tipo semiconductor sea empleado en la industria electrónica, se deben tomar en cuenta le energía del gap, la conductividad electrónica y la movilidad de los portadores de carga. Los materiales que satisfacen dichos aspectos son el Si y el Ge, elementales. Pero como se mencionó antes están los compuestos como GaP, GaAs y InSb. Entre los más usados en la industria están el Si, el GaAs y el Ge. La industria productora de dispositivos de estado sólido emplea silicio para la construcción de componentes electrónicos que trabajan a partir de principios semiconductores. 

            Para el futuro se tienen que desarrollar nuevos materiales semiconductores para poder tener dispositivos más eficientes y que nos ayuden a mejorar en todos los aspectos nuestros aparatos electrónicos. Una nueva aplicación que se está realizando en el Instituto de Microelectrónica de Madrid son unas líneas de cristales fotónicos de semiconductores, las cuales son una estructura con una banda prohibida para fotones constituidas por variaciones periódicas en el índice de refracción del material del cual están constituidas. Igual que en los materiales semiconductores donde la periodicidad atómica origina nieles de energía  para los electrones, la constante dieléctrica en el caso de los cristales origina una estructura de bandas para fotones, las cuales pueden diseñarse a voluntad, permitiendo favorecer o impedir la propagación de fotones con determinadas energías. Estos cristales fotónicos son materiales nanoestructurados con propiedades exclusivas que incluso ya se aplican para fibras ópticas y permitirán fabricar dispositivos optoelectrónicos más rápidos, eficaces y pequeños para favorecer las telecomunicaciones fotónicas y la computación óptica las cuales podrían superar las limitaciones impuestas por la progresiva miniaturización de los actuales procesadores de Silicio.

La spintrónica o spin – electrónica es uno de los campos que también se beneficia con el desarrollo de nuevos materiales semiconductores, ese es un campo que combina los elementos del magnetismo con dispositivos electrónicos basados en semiconductores. Con estos dispositivos de la spintrónica las corrientes formadas están formadas por spines polarizados, los cuales son empleados para controlar el flujo de corriente o incluso el almacenamiento de datos. Estos materiales están formados por nanopartículas semiconductoras de (ZnO y CdO), diluidas magnéticamente con cationes metálicos de la primera serie de transición (Mn(II), Fe(II) y Co(II)).

Podemos ahora darnos cuenta del gran uso de éstos materiales en la industria electrónica y  algunas de las investigaciones de éste tipo de materiales con la finalidad de desarrollar semiconductores que sean mejores en cuanto a obtención, rendimiento y que sean sencillos de manufacturar. En conclusión la industria de los materiales semiconductores es de suma importancia para el desarrollo de dispositivos de estado sólido en los cuales esta cimentada en gran medida la vida diaria y la tecnología, esto nos permite inferir que si desarrollamos avances en cuanto a los materiales que constituyen dichos dispositivos podemos avanzar en la tecnología presente y volver más sencilla la vida diaria.   

 Fuentes de consulta:

·         Callister, William D. Introducción a la Ciencia e Ingeniería de Materiales. Vol. I & II, 3ª Barcelona: Reverte, 1996.

·         “Línea de cristales fotónicos de semiconductores II – V en el instituto de microelectrónica de Madrid”. Obtenido el 03 de mayo de 2009. Disponible en:http://www.imm.cnm.csic.es/cristalfotonico/cristalesfotonicos1.htm.