QUÍMICA DE LOS SEMICONDUCTORES
Saludos estimada comunidad de Steemit y en especial a Steem-espanol.
Actualmente hemos leído en numerosos artículos de nuestros amigos @carloserp-2000 y @iamphysic la física de los compuestos semiconductores, atículos que me han llamado mucho la atención debido a que me desempeño en el área de la fisicoquímica. Sin embargo, hace poco me hice una pregunta: ¿Qué hay de la química de estos compuestos? Porque no podemos olvidar que un semiconductor es un compuesto químico con ciertas propiedades físicas características. Entonces me di a la tarea de estudiar con más pericia estos compuestos y por eso les traigo este post, para que los químicos que integramos esta comunidad entendamos más de estos compuestos semiconductores.
Los metales han sido usados desde la prehistoria. Pero en las últimas décadas han desarrollado novedosos tipos de compuestos de metales que son los semiconductores. Estos materiales son fundamentales para la sociedad actual y su economía. Por esto intentaré que comprendamos sus propiedades químicas utilizando la teoría del orbital molecular para saber porque los metales conducen la corriente eléctrica y porque los semiconductores presentan características exclusivas.
Antes de entrar en los semiconductores debo definir unos conceptos previos como lo son los conductores, los aislantes y la teoría de bandas.
Las redes cristalinas de metales se suponen como macromoléculas unidas por enlaces deslocalizados, formados por sus orbitales atómicos. Incluso un trozo pequeñito de un metal tiene una cantidad grande de átomos y por ende un sinfín de orbitales disponibles capaces de formar los orbitales moleculares. Para los metales, estos orbitales dispersados sobre incontables átomos conllevan a una banda de orbitales moleculares, esta con energías próximas en un establecido rango. Como se muestra en la figura siguiente donde se muestra que a medida que aumentan los átomos del metal también aumenta el número de orbitales moleculares hasta que sus energías están tan cercas que se forma en una banda.
Figura 1. Orbitales moleculares de un cristal metálico-Fuente elaboración propia.
Cada uno de los orbitales puede contener solo dos electrones de espin opuesto. Esta razón de que los orbitales moleculares presentes en la banda energética se encuentren deslocalizados, explica los enlaces de los metales. Esto se conoce en química y física como la teoría de bandas. Como se muestra en la figura la banda energética no presenta electrones en todos sus orbitales, porque nunca hay suficientes electrones para llenarlos. En consecuencia estos se acomodan en los orbitales de energía más bajo. El lugar de mayor energía ocupado por un electrón se denomina nivel de Fermi. Cuando se proporciona energía ocurre un salto de los electrones de la parte llena de la banda a la que se encuentra vacía de estos. Cuando esto ocurre se crean se forman dos espacios ocupados con un solo electrón. Esto se esquematiza en la figura 2.
Figura 2. Teoría de banda de metales y semiconductores-Fuente: elaboración propia.
Sobre el nivel de Fermi se encuentra un electrón negativo y por debajo se denomina un "hueco" positivo por la pérdida del electrón. En presencia de un campo eléctrico los electrones tienen a moverse o saltar hacia el lado positivo y por ende los huecos hacia el lado negativo. Estos huecos se irán desplazando de lugar debido a que los electrones adyacentes saltaran a ocuparlos por la regla de que los polos opuestos se atraen, y de esta forma se genera un nuevo hueco. De aquí se puede definir la conductividad eléctrica de los metales ya que se debe al desplazamiento de los electrones de los orbitales ocupados por uno solo, cerca del nivel de Fermi cuando se encuentre un campo eléctrico aplicado.
Los metales son capaces de adsorber energía en la mayor parte del espectro electromagnético, es decir, en todas las longitudes de onda. Esto se debe a que la brecha entre los niveles de energía ocupados y los vacíos es muy corta. El nivel de energía más alto ocupado se denomina "banda de valencia" y este está parcialmente lleno mientras que los niveles de energía que se encuentra vacíos se denominan "bandas de conducción". Esta característica es la responsable de permitir la conductividad eléctrica. Al contrario de los aislantes eléctricos que presentan una banda de valencia enteramente llena y los próximos niveles vacíos se encuentran muy alejados, es decir, necesitan una energía mucho mayor. Por lo que el salto electrónico no es probable y no hay conductividad eléctrica.
SEMICONDUCTORES
Los elementos del grupo 4A de la tabla periódica como el Silicio y el Germanio son semiconductores, esto quiere decir que pueden conducir pocas cantidades de corriente, y sus estructuras cristalinas son parecidas a la del diamante (cada carbono está cercado por 4 carbonos más formando un tetraedro) que es un aislante eléctrico.Los semiconductores se encuentran entre los conductores y los aislantes. Existen algunas diferencias que explican porque la conductividad es distintas entre el diamante, silicio y germanio siendo similares en sus estructuras.
La respuesta a esa pregunta está en el tamaño de la brecha de banda o brecha energética. Como dije anteriormente cuando un electrón salta de la banda de valencia a la banda de conducción se crear dos estados con un solo electrón ocupándolo permitiendo que ocurra la conductividad eléctrica. Pero en el diamante esta brecha es muy grande alrededor de 520 kJ/mol por lo que es un aislante térmico, Por otra parte los semiconductores presentan brechas entre 50 y 310 kJ/mol estando el silicio y el germanio en este intervalo. Aun cuando la energía es un poco alta, algunos electrones pueden ser realizar el salto energético de una a la otra banda con el suministro de energía.
Los semiconductores se dividen en dos grupos denominados semiconductores intrínsecos y extrínseco. El silicio y el germanio se encuentran en el primero de estos grupos con la ayuda de la figura siguiente se pueden definir.
Figura 3. Semiconductores intrínsecos y extrínseco- Fuente: elaboración propia.
INTRÍNSECO
El salto de un electrón desde la banda de valencia a la de conducción genera un hueco positivo en el último nivel ocupado de electrones, similarmente como ocurren en los metales donde la conducción tiene lugar porque los electrones se mueven en una dirección y los huecos positivos en la otra. La cantidad de electrones que se muestren en la banda de conducción está relacionada con la temperatura y el valor de la brecha de banda, es decir, con la disminución de esta brecha es necesaria menor cantidad de energía para que ocurran mayores saltos electrónicos caso similar ocurre cuando se aumenta la T.
EXTRÍNSECO
Por otra parte, la conductividad de este tipo se modifica adicionando cantidades de átomos de otras naturalezas que se llaman dopantes.Para este caso existen dos ejemplos posibles.
Si tomamos la red cristalina del Silicio (Si) y suplantamos algunos de sus átomos por Aluminio (Al) o cualquiera del grupo 3A. El aluminio solo tiene 3 electrones en la banda d valencia pero el Si tiene 4, por lo que habrá una deficiencia electrónica, y de acuerdo a la teoría de bandas los enlaces Al-Si formaran una banda discreta con energía mayor que la banda de valencia este nuevo nivel se conoce como nivel aceptor debido a que acepta electrones disponibles. Esta nueva brecha es pequeña de modo que puedan ocurrir los saltos fácilmente. Al crearse los huecos positivos en el semiconductor dopado de Al se denomina semiconductor tipo p.
De forma análoga, si se sustituyen los átomos ahora con Fosforo (P), el material ahora dispondrá de electrones de mas, debido a que el fosforo presenta un electrón más que el Si. Este tipo de semiconductores dopados cuentan con un nivel donador lleno solo por debajo de la banda de conducción por lo que los saltos electrónicos ocurren muy rápido y estando en esta bando ocurre el transporte de carga. Este material es denominado semiconductor tipo n por ser transportador de carga negativa.
APLICACIONES
Entendido todo el proceso químico por el que pasa un metal, conductor y un semiconductor, todas sus características físicas ya explicadas detalladamente por nuestros amigos físicos deben estar preguntándose pero ¿Cuál es la aplicación de estos compuestos?
A diario estamos en presencia de miles de semiconductores sin siquiera saberlo. Las luces de los carros tanto del tablero como las luces traseras que indican cuando los autos frenan, los semáforos y recientemente los zapatos deportivos con luces están compuestos por “diodos emisores de luz.” O LED como las conocemos comúnmente.
Estas luces LED están fabricados de compuestos semiconductores, mezclando elementos de los periodos 3 y 4 de la tabla periódica como, Aluminio, Galio, Fosforo y Arsenio. Estos combinados si se colocan en presencia de una fuente de voltaje bajo emitirán luces en longitudes de ondas que varían con la composición del material. Por ejemplo si el material está compuesto de Galio y Arsénico su color será rojo, si el semiconductor contiene Indio, Galio y Nitrógeno tendera a emitir de verde a azul, y así para cada compuesto.
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Donde:
A Ánodo
B Cátodo
1 Encapsulado/lente epóxico
2 Contacto metálico
3 Cavidad reflectora
4 Semiconductor die
5 Yunque
6 Plaqueta
7 Soporte Conductores
8 Borde plano plano
Referencias
1. John Kotz, Treichel Paul, Quimica y reactividad química, quinta edición, 2003.
Hola @mayterevilla definitivamente el estudio de los materiales es una de las ramas mas hermosas de la ciencia. Y definitivamente el estado solido la mas hermosa desde el punto de vista atomico.
Una pregunta como ven ustedes los quimicos la estructura de banda? Yo tengo entendido que su modelo es un modelo de bandas lineales.
Hay algun fundamento cientifico para eso?. En fisica la estructura de bandas se basa en el modelo parabolico y el ancho es la parabola describe caracteristicas intrinseca del material, por ejemplo.
Muy buen trabajo @mayterevilla me gusta observar que usuarios se animan a publicar sobre este mundo tan maravilloso, solo debo hacerte una sugerencia y es que los enlaces que copiaste de las imágenes de internet están mal establecidos, es decir al abrir (fuente) me dirige a al mismo articulo en cuestión.
Hola @carloserp-2000. Gracias por la observación ya la corregí, me extraño que sucediera eso, pero ya esta solventado.
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