La industria de los semiconductores no para, y en las investigaciones que se están haciendo también se están poniendo sobre la mesa algunos materiales semiconductores para mejorar los actuales dispositivos. En este artículo enumeraré cuáles son esos materiales y cómo pueden ayudar a sustituir o complementar la actual tecnología basada en obleas de silicio o wafers.
Índice de contenidos
¿Qué es un material semiconductor?
Un semiconductor es un material que tiene una conductividad eléctrica intermedia entre un conductor y un aislante. A diferencia de los conductores, que permiten el flujo libre de corriente eléctrica, y de los aislantes, que no permiten el flujo de corriente, los semiconductores presentan propiedades eléctricas únicas que los hacen adecuados para aplicaciones específicas en electrónica y tecnología.
Están compuestos principalmente por elementos de la tabla periódica, como silicio (Si), germanio (Ge) o arseniuro de galio (GaAs). La estructura atómica de los semiconductores es tal que tienen una banda de valencia, en la cual los electrones están fuertemente unidos a los átomos, y una banda de conducción, que está vacía o parcialmente llena de electrones libres.
La propiedad clave de los semiconductores es que su conductividad puede modificarse mediante la adición de impurezas o dopantes. Cuando se introduce un átomo de otro elemento en la estructura cristalina de un semiconductor, puede haber un exceso o una falta de electrones en la banda de conducción o en la banda de valencia, creando así regiones con carga positiva (huecos) o negativa (electrones). Estas regiones cargadas se denominan p-n junctions o uniones p-n.
También te interesará leer sobre cómo funcionan los dispositivos electrónicos
Semiconductor intrínseco
Un semiconductor intrínseco es un tipo de semiconductor puro que no contiene impurezas o dopantes intencionales. En otras palabras, es un semiconductor en su forma más básica y natural.
En un semiconductor intrínseco, la conductividad eléctrica es determinada únicamente por la temperatura o la energía térmica. A temperaturas más altas, los electrones ganan energía y pueden moverse con mayor libertad en la banda de conducción, lo que aumenta la conductividad eléctrica del material. Sin embargo, a temperaturas más bajas, la energía térmica disminuye y los electrones tienen menos movilidad, lo que resulta en una menor conductividad. Además, en un semiconductor intrínseco, la cantidad de electrones y huecos generados por la energía térmica es equilibrada, lo que mantiene la neutralidad eléctrica del material.
Semiconductor extrínseco
Un semiconductor extrínseco es un semiconductor que ha sido dopado intencionalmente con impurezas para alterar sus propiedades eléctricas. Estas impurezas, también conocidas como dopantes, son átomos de otros elementos que se agregan al material semiconductor para modificar su conductividad.
El proceso de dopaje introduce átomos adicionales en la estructura cristalina del semiconductor, lo que crea portadores de carga libres adicionales. Dependiendo del tipo de dopante utilizado, se pueden obtener dos tipos de semiconductores extrínsecos: tipo n y tipo p.
En un semiconductor extrínseco tipo n, los dopantes introducidos proporcionan electrones adicionales, lo que aumenta la concentración de portadores de carga negativa (electrones) en la banda de conducción. Esto resulta en una mayor conductividad eléctrica y el material se vuelve más «conductor».
En contraste, en un semiconductor extrínseco tipo p, los dopantes introducidos crean huecos adicionales en la banda de valencia, lo que aumenta la concentración de portadores de carga positiva (huecos). Esto también aumenta la conductividad eléctrica, pero en este caso, el material se vuelve más «conductor» en términos de portadores de carga positiva.
Te recomendamos la lectura sobre la tecnología VFET en semiconductores.
Materiales semiconductores del futuro
Aunque el silicio ha sido el material semiconductor dominante durante décadas, la investigación y el desarrollo continúan en busca de posibles sustitutos que puedan superar las limitaciones del silicio en términos de rendimiento y eficiencia. A continuación, se presentan algunos de los materiales semiconductores prometedores considerados como posibles sustitutos del silicio en el futuro:
- Grafeno: es una capa bidimensional de átomos de carbono dispuestos en una estructura hexagonal. Es extremadamente delgado, flexible y presenta una alta conductividad eléctrica y térmica. Se ha investigado ampliamente para aplicaciones en electrónica de alta velocidad y eficiencia energética.
- Disulfuro de molibdeno (MoS2): es un material bidimensional similar al grafeno, pero compuesto por átomos de molibdeno y azufre. MoS2 exhibe propiedades semiconductoras y se ha explorado como un posible material para transistores de alta movilidad y dispositivos electrónicos flexibles.
- Fosfuro de indio (InP): es un semiconductor compuesto que ha mostrado propiedades ópticas y electrónicas prometedoras para aplicaciones en comunicaciones ópticas de alta velocidad, como láseres y fotodetectores.
- Nitruro de galio (GaN): el GaN es un semiconductor de ancho de banda amplio con excelentes propiedades de alta frecuencia y alta potencia. Se utiliza en dispositivos electrónicos de alta eficiencia energética, como LED de alta potencia y dispositivos de radiofrecuencia.
- Telururo de estaño (SnTe): es un semiconductor con una estructura cristalina única y propiedades de conductividad térmica excepcionales. El SnTe se ha investigado para aplicaciones en termoelectricidad, conversión de calor en electricidad.
Es importante destacar que la investigación en materiales semiconductores está en constante evolución y existen muchos otros materiales que también se están investigando como posibles sustitutos del silicio. La adopción y comercialización de nuevos materiales semiconductores dependerá de múltiples factores, incluyendo la escalabilidad, la disponibilidad de producción y las aplicaciones específicas en las que puedan demostrar ventajas significativas. No es algo tan sencillo como tener el sustituto y comenzar a fabricar chips en masa. El silicio, hoy por hoy, es el único que se puede emplear para este fin sin modificar las fábricas de semiconductores de forma considerable, y sin usar otras técnicas diferentes…
