Química de Materiales Semiconductores
La química de materiales semiconductores estudia los sólidos cuya conductividad se encuentra entre la de los metales y los aislantes y puede controlarse con precisión mediante la composición y el dopaje, proporcionando los materiales a partir de los cuales se construyen los dispositivos electrónicos y optoelectrónicos.
Definition
Un semiconductor es un sólido con una banda prohibida modesta cuya conductividad eléctrica puede controlarse en muchos órdenes de magnitud por la temperatura y, especialmente, por el dopaje; la química de materiales semiconductores estudia la composición, los defectos y la preparación de dichos sólidos.
Scope
Este tema abarca la química de los sólidos semiconductores: la banda prohibida que define un semiconductor, la conducción intrínseca frente a la extrínseca, y el dopaje de semiconductores elementales como el silicio y el germanio con donantes y aceptores. Se extiende a los semiconductores compuestos —las familias III-V y II-VI— cuyas bandas prohibidas directas sintonizables son adecuadas para la emisión de luz, y a los métodos de purificación, crecimiento de cristales y deposición de películas delgadas que producen material de grado de dispositivo.
Core questions
- ¿Qué rango de banda prohibida define un semiconductor?
- ¿Cómo controlan los dopantes donadores y aceptores la conductividad y el tipo de portador?
- ¿Cómo extienden los semiconductores compuestos el rango de bandas prohibidas disponibles?
- ¿Cómo se purifica y crece el material semiconductor de grado de dispositivo?
Key concepts
- Banda prohibida
- Semiconductores intrínsecos y extrínsecos
- Dopaje donador y aceptor
- Compuestos III-V y II-VI
- Bandas prohibidas directas e indirectas
- Crecimiento y purificación de cristales
Key theories
- Conducción intrínseca y extrínseca
- En un semiconductor intrínseco, la conducción se basa en pares electrón-hueco generados térmicamente a través de la banda prohibida; el dopaje con átomos donadores o aceptores añade estados poco profundos que suministran portadores de un signo elegido, haciendo que la conductividad sea controlable por la composición.
- Semiconductores compuestos e ingeniería de la banda prohibida
- La combinación de elementos de los grupos III y V o II y VI produce semiconductores cuya banda prohibida y si es directa o indirecta puede ajustarse por composición, permitiendo el diseño de materiales adaptados a funciones electrónicas y de emisión de luz específicas.
Mechanisms
Los dopantes donadores colocan electrones justo por debajo de la banda de conducción y los aceptores colocan huecos justo por encima de la banda de valencia, de modo que una energía térmica modesta los ioniza y fija la concentración de portadores; la recombinación de portadores a través de una banda prohibida directa emite luz, la base de las fuentes de luz semiconductoras.
Clinical relevance
Los materiales semiconductores son la base de la microelectrónica y la optoelectrónica: el silicio dopado fabrica transistores y circuitos integrados, los semiconductores compuestos fabrican diodos emisores de luz, diodos láser y fotodetectores, y la pureza y la perfección cristalina logradas mediante una química cuidadosa determinan el rendimiento del dispositivo.
History
La comprensión de los semiconductores cristalizó en torno a la invención del transistor en 1947, que demostró que el dopaje controlado de silicio y germanio podía crear un dispositivo conmutable y amplificador. El desarrollo del refinado por zonas y el crecimiento de monocristales proporcionó entonces material ultrapuro, y los semiconductores compuestos extendieron el campo a la emisión de luz y la electrónica de alta velocidad.
Key figures
- William Shockley
- John Bardeen
- Walter Brattain
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Frequently asked questions
- ¿Cómo el dopaje convierte un cristal de aspecto aislante en un conductor útil?
- La adición de una pequeña cantidad de un elemento con uno más o uno menos electrón de valencia que el huésped introduce niveles de energía poco profundos cerca de los bordes de la banda. Estos liberan electrones o huecos que se activan fácilmente, aumentando la conductividad en órdenes de magnitud y estableciendo si la conducción es por portadores negativos o positivos.
- ¿Por qué los dispositivos emisores de luz utilizan semiconductores compuestos en lugar de silicio?
- El silicio tiene una banda prohibida indirecta, por lo que la recombinación electrón-hueco rara vez emite un fotón. Muchos semiconductores compuestos tienen bandas prohibidas directas, donde la recombinación produce luz de manera eficiente, lo que los convierte en los materiales preferidos para diodos emisores de luz y diodos láser.