Átomo, Semiconductores y Propiedades del Silicio: Conceptos Clave

Átomo

Unidad constituyente más pequeña de la materia que tiene las propiedades de un elemento químico.

Tipos de Materiales

La distribución de los electrones en la última capa del átomo da origen a tres tipos de materiales:

• Aislante
  • No conducen electricidad.
  • Poseen 8 electrones en su última capa.
• Conductor
  • Los electrones se pueden mover libremente.
  • Poseen 1 electrón en su última capa.
• Semiconductor
  • Se encuentran entre los aislantes y conductores.
  • Poseen 4 electrones en su última capa.

A temperaturas muy bajas, los semiconductores puros se comportan como aislantes. A altas temperaturas, con impurezas o en presencia de luz, la conductividad de los semiconductores aumenta.

Principios y Propiedades de los Semiconductores

• Las propiedades de los semiconductores se estudian en la física del estado sólido.
• Un semiconductor es un elemento con valencia 4, esto quiere decir que un átomo aislado de semiconductor tiene cuatro electrones en su última órbita, y son los llamados electrones de valencia.
• El número de electrones de valencia define la conductividad eléctrica.
• Los conductores tienen 1 electrón de valencia, los semiconductores tienen 4 y los aislantes 8 electrones de valencia.
• El germanio y el silicio tienen 4 electrones de valencia, esto indica que son semiconductores.

El Silicio

El Silicio, de símbolo Si, es un elemento semimetálico, el segundo elemento más común en la Tierra después del oxígeno. Su número atómico es 14 y pertenece al grupo 14 de la tabla periódica. Fue aislado por primera vez de sus compuestos en 1823 por el químico sueco Jöns Jakob Berzelius.

Cuando los átomos de silicio se combinan para formar un sólido, automáticamente se disponen en un patrón ordenado llamado cristal. Cada átomo de silicio comparte sus electrones con los demás átomos de silicio, de tal manera que tenga 8 electrones en su última capa.

Cuando un átomo posee 8 electrones en su última capa se vuelve químicamente estable. Cada átomo vecino comparte un electrón con el átomo central. El electrón constituye un enlace entre las dos partes internas opuestas. A este tipo de enlace se le llama enlace covalente. A la temperatura ambiente (25°C), un cristal de silicio es casi un aislante perfecto, ya que tiene sus 8 electrones en la última capa.

Cristal de Silicio

• Si la temperatura aumenta, los átomos comienzan a vibrar dentro del cristal y ocasionalmente un electrón se puede desligar de su órbita, convirtiéndose en un electrón libre.
• La salida del electrón libre deja un vacío en la órbita que se llama hueco.

Efecto de la Temperatura

Dentro del cristal de silicio se crean cantidades iguales de electrones y huecos por la energía térmica. Los electrones libres se mueven en forma caótica a través del cristal. En ocasiones, un electrón libre se aproximará a un hueco, sentirá su atracción y caerá hacia él.

Esta unión de un electrón libre y un hueco se llama recombinación. El tiempo que transcurre entre la creación y la desaparición de un electrón libre recibe el nombre de tiempo de vida y varía desde nanosegundos a microsegundos.

Bandas de Energía

La energía de un electrón puede identificarse con el tamaño de su órbita. Los electrones de la órbita más pequeña están en el primer nivel de energía, los electrones de la segunda órbita están en el segundo nivel de energía y así sucesivamente.

Como el electrón es atraído por el núcleo, se requiere energía adicional para llevarlo a una órbita mayor. Cuando un electrón salta de la primera a la segunda órbita, gana energía potencial con respecto al núcleo. Después que un electrón ha saltado a una órbita mayor, puede regresar a su nivel de energía original. Si lo hace, tendrá que liberar su energía sobrante en forma de calor, luz u otro tipo de radiación.