Imagínate que tengo una batería y un par de cables conectados a una bombilla.

La bombilla se enciende perfectamente.

Perfecto.

Imagínate que corto el cable y pongo un plátano de plástico entre medio:

El plátano de plástico no conduce la electricidad como lo hacía el cable, y la bombilla no se enciende.

Decimos que el cable es un conductor y el plátano de plástico un aislante.

Pero entonces… ¿qué será eso de semiconductor?

Pues una cosa intermedia.

Un semiconductor es un material que tiene la peculiar propiedad de comportarse a veces como un conductor y otras veces como un aislante.

Uno de los semiconductores más conocidos es el silicio.

Si pongo una placa de silicio a temperatura ambiente, en lugar de poner el plátano:

El silicio a temperatura ambiente se comporta como un aislante eléctrico.

Sin embargo si lo caliento:

Ahí el silicio ya sí conduce la electricidad y la lámpara se enciende.

Y ahí es donde está la utilidad de los semiconductores, en su carácter dinámico.

Gracias a este comportamiento, podemos utilizarlos “a nuestro antojo” para controlar el flujo de corriente eléctrica.

Y, si a este comportamiento le añadimos otros comportamientos y propiedades que rigen las leyes de la electricidad, tenemos lo que se conoce como electrónica: circuitos eléctricos "vivos", por decirlo de alguna forma, que permiten realizar todo tipo de operaciones.

En la base de tu ordenador, teléfono móvil, tablet e incluso en la lavadora de tu casa, hay una ingente cantidad de componentes electrónicos que son los responsables del funcionamiento ordenado y programado del dispositivo.

Y en la base de todos estos componentes, se encuentra el elemento fundamental: materiales semiconductores.

Sí, sí… muy bonito, pero…

¿Cómo funcionan los semiconductores?

Lo que hace que un material tenga carácter semiconductor queda visible en su interior, a nivel atómico.

En un átomo, los electrones ocupan orbitales específicos, manteniéndose en los alrededores del núcleo pero ocupando zonas determinadas.

Cuando se juntan unos átomos con otros, los electrones se comparten entre ellos.

Pero el hecho de compartir los electrones, hace que cambien los niveles energéticos, necesitándose una cantidad de energía distinta para “saltar” de un nivel energético al otro.

Cuando tenemos un sólido, como por ejemplo una placa de silicio como la que puse en el ejemplo de antes, hay millones de átomos compartiendo sus electrones, y el concepto de “orbital” pasa a conocerse como “banda” de energía.

Y tendremos dos bandas de energía características:

  • Banda de valencia.
  • Banda de conducción.

La energía requerida para que el material se comporte como un conductor, es la diferencia de energía entre estas dos bandas.

En un aislante, como por ejemplo el plástico o el vidrio, la diferencia energética entre ambas bandas es muy grande y es muy difícil que los electrones puedan circular.

Sin embargo, en los metales, la diferencia de energía entre ambas bandas es nula o muy pequeña, y por eso son buenos conductores.

Los semiconductores son materiales que están en un término medio.

La diferencia de energía entre su banda de valencia y de conducción es media.

Tanto es así que aportando la energía suficiente, sí que podrán comportarse como conductores.

Pero si no tienen suficiente energía, los electrones no podrán saltar del nivel energético de valencia al de conducción y, por tanto, el material no será conductor.

En nuestro ejemplo hemos aportado energía al semiconductor en forma de calor, aunque esa no es la única forma de aportarle energía.

De hecho, en un ordenador por ejemplo, la forma de cambiar el comportamiento aislante/conductor de los semiconductores que forman parte de los componentes electrónicos del mismo, es mediante campos eléctricos, ya que hacerlo con un aporte de calor sería demasiado lento (aparte de consumir más energía).

Tipos de semiconductores

Según su naturaleza, tenemos:

  • Semiconductores intrínsecos.
  • Semiconductores dopados.

Vamos a ver de qué trata cada tipo:

Semiconductores intrínsecos

Son semiconductores formados por un solo tipo de elemento, como por ejemplo una lámina puramente formada por silicio.

Otro semiconductor intrínseco muy conocido (pero menos usado que el silicio) es el germanio.

Semiconductores dopados

Son semiconductores a los que se les ha añadido impurezas (átomos de otro tipo de elemento) para mejorar sus propiedades.

Según el tipo de átomo que metamos distinguiremos a su vez de dos tipos de semiconductores dopados:

Semiconductor dopado de tipo N

Cuando se dopa al semiconductor con átomos que tienen más electrones que los átomos del semiconductor, produciendo un exceso de electrones en la red atómica.

Este exceso hace que se aumente la conductividad del semiconductor, al haber más electrones que pueden circular libremente.

Aquí vemos por ejemplo el silicio dopado con arsénico, que tiene 5 electrones en su capa de valencia (uno más que los 4 que tiene el silicio).

Semiconductor dopado de tipo P

Al contrario que los de tipo N, en los que se meten elementos que hacen que haya más electrones de la cuenta, en los de tipo P, se meten elementos que hacen que falten electrones.

Esta “falta” de electrones es lo que se conoce como huecos.

Estos huecos facilitan el desplazamiento de electrones libres, dado que son huecos que en cierto modo están “deseando llenarse”.

Vemos en la imagen un dopado con Boro, que tiene 3 electrones en su capa de valencia (uno menos que los 4 que tiene el silicio).

Nota: fíjate que los de tipo N son los Negativos (sobran electrones) y los de tipo P son los Positivos (faltan electrones).

¿Son importantes los semiconductores?

Pues claro que sí.

Gracias a ellos se ha permitido la revolución de los dispositivos electrónicos que, a su vez, han permitido la era digital en la que vivimos, con información al alcance de todos.