¿Qué es un semiconductor?

Un semiconductor es un material que controla las corrientes eléctricas, lo que lo convierte en un componente esencial de la mayoría de la electrónica moderna. Son los chips informáticos y los microcontroladores que alimentan los teléfonos inteligentes, las computadoras y los televisores.

Las propiedades únicas de los semiconductores los posicionan entre materiales muy conductores (como el cobre o el aluminio) y no conductores (como el caucho o el vidrio). Comúnmente fabricado con silicio, germanio y arseniuro de galio, el hardware semiconductor permite que la corriente fluya libremente o la repele por completo.

Los semiconductores son materiales que pueden controlar el flujo de electricidad más que los aislantes (no conductores), pero menos que los conductores. Se utilizan en muchos dispositivos electrónicos, incluidos ordenadores y teléfonos inteligentes.

"Cada dispositivo electrónico que se conecta a una pared o usa una batería tiene semiconductores", dijo a Built In Mike Pienovi, gerente general de unidades de microcontroladores Sitara en Texas Instruments.

Es difícil exagerar la ubicuidad de los semiconductores: los diodos, los chips y los transistores son dispositivos hechos a partir de ellos.

"Los semiconductores se encuentran en una amplia gama de mercados, como el industrial, el de automoción, el de electrónica personal, el de equipos de comunicaciones y el de sistemas empresariales", añadió Pienovi. "Estos chips son un componente crucial de la tecnología actual y afectan a casi todos los aspectos de nuestras vidas".

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La capacidad de un semiconductor para conducir electricidad depende del movimiento y la interacción entre sus dos portadores de corriente: los electrones libres y los huecos (que representan la ausencia de un electrón).

"Para comprender cómo funcionan los semiconductores", según el químico con doctorado Andrew Stapleton, que crea contenido en Academia Insider, "es necesario saber acerca de las bandas de energía".

Stapleton lo explicó así: En los sólidos, los electrones ocupan niveles de energía que forman bandas de energía. Las dos bandas de energía más importantes en los semiconductores son la banda de valencia (que está llena de electrones de valencia) y la banda de conducción (que está en gran medida vacía).

A medida que se aplica energía térmica al material semiconductor, los electrones de valencia se mueven de la banda de valencia a la banda de conducción, donde se convierten en electrones libres. Dejan espacios vacíos en la banda de valencia, lo que crea agujeros.

"En los no conductores, estas bandas están muy separadas unas de otras", dijo Stapleton. "Pero en los semiconductores, están lo suficientemente cerca como para que, cuando se aplica una fuente de calor, los electrones puedan saltar de la banda de valencia a la banda de conducción, permitiendo el flujo de corriente eléctrica".

La determinación de la intensidad de esa corriente depende de la cantidad de voltaje aplicado, así como de las propiedades de un material semiconductor (más sobre esto a continuación). La relación entre estos factores se describe mediante la Ley de Ohm, que establece que una corriente eléctrica es directamente proporcional al voltaje aplicado pero inversamente proporcional a la resistencia de un material.

Sin embargo, la resistencia se puede manipular para controlar mejor el flujo de corrientes eléctricas. En un proceso conocido como dopaje, la cantidad de portadores de corriente se puede aumentar agregando impurezas a un material. Al aumentar el número de electrones o huecos libres, se crea una mayoría entre los portadores actuales, lo que da como resultado una conductividad más fuerte.

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Los semiconductores intrínsecos son materiales puros, concretamente silicio y germanio, que tienen una capacidad natural para conducir electricidad cuando entran en contacto con un elemento calefactor. Sin embargo, tal como están, estos materiales no dopados no conducen muy bien las corrientes eléctricas.

En los semiconductores intrínsecos, el número de electrones libres en la banda de conducción siempre será igual al número de huecos en la banda de valencia. Esta baja concentración de portadores de corriente (electrones libres y huecos) da como resultado una conductividad deficiente a temperatura ambiente. La mejora de su conductancia depende en gran medida de una fuente de energía térmica externa, como el voltaje.

Entonces, si bien la capacidad de conducir electricidad por sí sola hace que los semiconductores sean un componente útil, esta capacidad es limitada en los semiconductores intrínsecos o de tipo I.

"Los semiconductores extrínsecos", explicó Vikas Kaushik, director ejecutivo de la empresa de desarrollo de aplicaciones móviles TechAhead y licenciado en informática, "son materiales impuros deliberadamente 'dopados' con elementos específicos para mejorar sus propiedades eléctricas".

En otras palabras, si desea mejorar la conductividad, necesita agregar más electrones o más huecos, cualquier cosa para crear un número desigual de ellos. Aquí es donde entran los materiales extrínsecos.

Para añadir más electrones, un semiconductor se dopa con un átomo que contiene cinco electrones de valencia, conocidos como átomos pentavalentes. Para aumentar el número de huecos se utilizan átomos con tres electrones de valencia, o átomos trivalentes.

Los semiconductores que transportan más electrones son semiconductores de tipo N, mientras que aquellos con mayoría de huecos se clasifican como semiconductores de tipo P.

Los semiconductores extrínsecos se utilizan más comúnmente para construir productos electrónicos que sus homólogos intrínsecos.

Antes de que aparecieran los semiconductores, los científicos construyeron la primera generación de computadoras utilizando tubos de vacío. Se estima que 17.468 de estos tubos revestidos de vidrio, que parecen bombillas en miniatura, se incorporaron a la primera computadora digital del mundo, la ENIAC, que se introdujo en 1964. Si bien este sistema ocupaba habitaciones enteras, pesaba 30 toneladas y medía nueve pies de altura, sus capacidades no estaban ni cerca de las de los teléfonos inteligentes de bolsillo de hoy en día.

Con la llegada de los transistores en 1947, los semiconductores se convirtieron en sinónimo de la era de la información.

"Los semiconductores desempeñan un papel indispensable en la tecnología y la innovación", afirmó Kaushik. "Son la columna vertebral de los microprocesadores y permiten a las computadoras realizar tareas complejas con velocidad y eficiencia".

Un único chip semiconductor contiene millones de transistores. Hoy en día, hay más de 100 mil millones de circuitos integrados en uso diario en todo el mundo, según la Asociación de la Industria de Semiconductores. Desde que aparecieron en escena a mediados de siglo, los semiconductores han estado presentes en el núcleo de casi todos los dispositivos electrónicos del pasado y continúan impulsando la tecnología del futuro, incluida la inteligencia artificial, los automóviles autónomos y los dispositivos de Internet de las cosas.

"La innovación continúa haciendo que la tecnología de semiconductores sea más pequeña, más eficiente, más confiable y más asequible", afirmó Pienovi de Texas Instruments.

En opinión de Kaushik, los semiconductores sustentan la base misma de la electrónica moderna y la transformación digital. "Sin semiconductores", dijo, "el panorama digital tal como lo conocemos no existiría".

Sin embargo, cuando se trata de la próxima generación de semiconductores, el desafío radica en reducir las emisiones de carbono en un 50 por ciento durante la próxima década, hacia una producción neta cero.

Un semiconductor es un material que puede controlar y gestionar el flujo de corrientes eléctricas. Sus propiedades únicas de conductividad los posicionan entre conductores y no conductores.

Los semiconductores se utilizan para construir prácticamente todos los dispositivos electrónicos y tienen aplicaciones en los sectores más relevantes, como la automoción, la electrónica doméstica, los equipos de comunicaciones y los sistemas empresariales.