Semiconductores

SEMICONDUCTORES

Los semiconductores son elementos que tienen una conductividad eléctrica inferior a la de un conductor metálico pero superior a la de un buen aislante.

Clasificación general de los materiales

Atendiendo a esta disposición atómica, un sólido puede ser: amorfo, policristalino o cristalino.

Los semiconductores son sólidos Cristalinos

     Caracteristicas

• Su 10^3 ≤ρ≤^5Ώ cm a temperatura ambiente.
• A bajas temperaturas pueden ser muy buenos aislantes y a muy altas temperaturas pueden llegar a ser buenos conductores.
•  Los electrones libres son portadores de carga negativa y se dirigen hacia el polo positivo de la pila.
• Los huecos son portadores de carga positiva y se dirigen hacia el polo negativo de la pila.
• Al conectar una pila, circula una corriente eléctrica en el circuito cerrado, siendo constante en todo
•  momento el número de electrones dentro del cristal de silicio.
•  Los huecos sólo existen en el seno del cristal semiconductor. Por el conductor exterior sólo circulan
• •      los electrones que dan lugar a la corriente eléctrica.

                    Tipos

1.    Semiconductores intrínsecos - estructura cristalina

Algunos materiales son:

• SILICIO

                                                    

Nombre, símbolo, número              Silicio, Si, 14

Serie química                                  Metaloides

Grupo, período, bloque                  14, 3, p

Masa atómica                                 28,0855 u

Configuración electrónica             [Ne]3s2 3p2

Dureza Mohs                                  6,5

Electrones por nivel                       2, 8, 4

Propiedades atómicas

Radio medio                                   120 pm

Electronegatividad                         1,9 (Pauling)

Radio atómico (calc)                     111 pm (Radio de Bohr)

Radio covalente                             111 pm

Radio de van der Waals                210 pm

Estado(s) de oxidación                  4

Óxido                                                Anfótero

Propiedades físicas

Estado ordinario                             Sólido (no magnético)

Densidad                                         2330 kg/m3

Punto de fusión                              1687 K (1414 °C)

Punto de ebullición                         3173 K (2900 °C)

Entalpía de vaporización              384,22 kJ/mol

Entalpía de fusión                          50,55 kJ/mol

Presión de vapor                           4,77 Pa a 1683 K

Características:

•      Sus propiedades son intermedias entre las del carbono y el germanio.

•      En forma cristalina es muy duro y poco soluble y presenta un brillo metálico y color grisáceo.

•      Aunque es un elemento relativamente inerte y resiste la acción de la mayoría de los ácidos, reacciona con los halógenos y álcalis diluidos.

•      El silicio transmite más del 95 % de las longitudes de onda de la radiación infrarroja.

Aplicaciones

·         Como material refractario, se usa en cerámicas, vidriados y esmaltados.

·         Como elemento fertilizante en forma de mineral primario rico en silicio, para la agricultura.

·         Como elemento de aleación en fundiciones.

·         Fabricación de vidrio para ventanas y aislantes.

·         El carburo de silicio es uno de los abrasivos más importantes.

·         Se usa en láseres para obtener una luz con una longitud de onda de 456 nm.

·         La silicona se usa en medicina en implantes de seno y lentes de contacto.

GERMANIO

        Nombre, símbolo, número             Germanio, Ge, 32

        Serie química                                   Metaloides

        Grupo, período, bloque                  14, 4, p

        Masa atómica                                  72,64 u

        Configuración electrónica              [Ar]3d10 4s2 4p2

        Dureza Mohs                                   6         

        Electrones por nivel                        2, 8, 18, 4

        Propiedades atómicas

        Radio medio                                    125 pm

        Electronegatividad                          2,01 (Pauling)

        Radio atómico (calc)                       125 pm (Radio de Bohr)

        Radio covalente                              122 pm

        Radio de van der Waals                Sin datos pm

        Estado(s) de oxidación                  4, 3, 2, 1, 0, -1, -2, -3, -4

        Óxido                                                Anfótero

     Características

·         Es un metaloide sólido duro

·         Cristalino

·         De color blanco grisáceo lustroso

·         Quebradizo

·          Conserva el brillo a temperaturas ordinarias

·         Presenta la misma estructura cristalina que el diamante

·         Resiste a los ácidos y álcalis.

Aplicaciones

Las aplicaciones del germanio se ven limitadas por su elevado costo y en muchos casos se investiga su sustitución por materiales más económicos.

·         Fibra óptica.

·         Electrónica: radares y amplificadores de guitarras eléctricas usados por músicos nostálgicos del sonido de la primera época delrock and roll; aleaciones SiGe en circuitos integrados de alta velocidad. También se utilizan compuestos sandwich Si/Ge para aumentar la movilidad de los electrones en el silicio (streched silicon).

·         Óptica de infrarrojos: Espectroscopios, sistemas de visión nocturna y otros equipos.

·         Lentes, con alto índice de refracción, de ángulo ancho y para microscopios.

·         En joyería se usa la aleación Au con 12% de germanio.

·         Como elemento endurecedor del aluminio, magnesio y estaño.

·         Quimioterapia.

·         El tetracloruro de germanio es un ácido de Lewis y se usa como catalizador en la síntesis de polímeros (PET).

2.    Semiconductores extrínsecos -  Impurezas donadoras y Aceptadoras.

Para aumentar su flexibilidad, el procedimiento más común consiste en introducir, de forma controlada, una cierta cantidad de átomos de impurezas obteniéndose lo que se denomina semiconductor extrínseco o dopado. En ellos, la conducción de corriente eléctrica tiene lugar

Preferentemente por uno de los dos tipos de portadores.

Se diferencian dos tipos:

2.1 Semiconductores extrínsecos tipo n:

Son los que están dopados, con elementos pentavalentes. Que sean elementos pentavalentes, quiere decir que tienen cinco electrones en la última capa, lo que hace que al formarse la estructura cristalina, un electrón quede fuera de ningún enlace covalente, quedándose en un nivel superior al de los otros cuatro.

• ARSÉNICO

                                                   

                       

                       Nombre, símbolo, número             Arsénico, As, 33

                       Serie química                                  Metaloides

                       Grupo, período, bloque                  15, 4, p

                       Masa atómica                                  74,92160 u

                       Configuración electrónica              [Ar]4s2 3d10 4p3

                       Dureza Mohs                                   3,5

                       Electrones por nivel                        2, 8, 18, 5

                       Propiedades atómicas

                       Radio medio                                    115 pm

                       Electronegatividad                          2,18 (Pauling)

                       Radio atómico (calc)                      114 pm (Radio de Bohr)

                       Radio covalente                              119 pm

                       Radio de van der Waals                185 pm

                       Estado(s) de oxidación                  ±3,5

                       Óxido                                                Levemente ácido

                        Propiedades físicas

                        Estado ordinario                            Sólido

                        Densidad                                        5727 kg/m3

                        Punto de fusión                              887 K (614 °C)

                        Punto de ebullición                        1090 K (817 °C)

                        Entalpía de vaporización              369,9 kJ/mol

                        Entalpía de fusión                          34,76 kJ/mol

                        Estructura cristalina                      Romboédrica

            Tipos

1.    El arsénico gris metálico (forma α) es la forma estable en condiciones normales y tiene estructura romboédrica, es un buen conductor del calor pero pobre conductor eléctrico, su densidad es de 5,73 g/cm³, es deleznable y pierde el lustre metálico expuesto al aire.

2.    El arsénico amarillo (forma γ) se obtiene cuando el vapor de arsénico se enfría muy rápidamente. Es extremadamente volátil y más reactivo que el arsénico metálico y presentafosforescencia a temperatura ambiente. Expuesto a la luz o al calor revierte a la forma estable (gris). También se denomina arsénico amarillo al oropimente, mineral de trisulfuro de arsénico.

3.    Una tercera forma alotrópica, el arsénico negro (forma β) de estructura hexagonal y densidad 4,7 g/cm³, tiene propiedades intermedias entre las formas alotrópicas descritas y se obtiene en la descomposición térmica de la arsina o bien enfriando lentamente el vapor de arsénico.

Características

·         Todas las formas alotrópicas excepto la gris carecen de lustre metálico

·          Tienen muy baja conductividad eléctrica por lo que el elemento se comportará como metal o no metal en función, básicamente, de su estado de agregación.

      

         Aplicaciones

• Preservante de la madera (arseniato de cobre y cromo), uso que representa, según algunas estimaciones, cerca del 70% del consumo mundial de arsénico.
•   El arseniuro de galio es un importante material semiconductor empleado en circuitos integrados más rápidos, y caros, que los de silicio. También se usa en la construcción de diodos láser y LED.
•   Aditivo en aleaciones de plomo y latones.
•   Insecticida (arseniato de plomo), herbicidas (arsenito de sodio) y venenos: A principios del siglo XX se usaban compuestos inorgánicos pero su uso ha desaparecido prácticamente en beneficio de compuestos orgánicos (derivados metílicos).
•  El disulfuro de arsénico se usa como pigmento y en pirotecnia.
•  Decolorante en la fabricación del vidrio (trióxido de arsénico).
• Históricamente el arsénico se ha empleado con fines terapéuticos prácticamente abandonados por la medicina occidental aunque recientemente se ha renovado el interés por su uso como demuestra el caso del trióxido de arsénico para el tratamiento de pacientes con leucemia promielocítica aguda.1
• Como elemento fertilizante en forma de mineral primario rico, para la agricultura.

• FOSFORO

                                                      

                             Tipo n

                             Nombre, símbolo, número                Fósforo, P, 15

                             Serie química                                    No metales

                             Grupo, período, bloque                    15, 3, p

                             Masa atómica                                   30,9737620 u

                             Configuración electrónica                [Ne]3s2 3p3

                             Electrones por nivel                          2, 8, 5

                             Propiedades atómicas

                             Radio medio                                    100 pm

                             Electronegatividad                          2,19 (Pauling)

                             Radio atómico (calc)                       98 pm (Radio de Bohr)

                             Radio covalente                              106 pm

                             Radio de van der Waals                180 pm

                             Estado(s) de oxidación                  ±3, 4, 5

                             Óxido                                                Levemente ácido

                             Propiedades físicas

                             Estado ordinario                              Sólido (diamagnético)

                             Densidad                                          1823 kg/m3

                             Punto de fusión                                 317,3 K (44 °C)

                             Punto de ebullición                           550 K (277 °C)

                             Entalpía de vaporización                 12,129 kJ/mol

                             Entalpía de fusión                             0,657 kJ/mol

                             Presión de vapor                              20,8 Pa a 294 K

                             Estructura cristalina                         Monoclínica

Tipos

Existen varias formas alotrópicas del fósforo siendo las más comunes el fósforo blanco y el rojo; ambos formando estructuras tetraédricas de cuatro átomos.

·         El fósforo blanco, extremadamente tóxico e inflamable presenta dos formas, alfa y beta, con una temperatura de transición de −3,8 °C; expuesto a la luz solar o al calor (300 °C) se transforma en fósforo rojo en reacción exotérmica. Éste es más estable y menos volátil y tóxico que el blanco y es el que se encuentra normalmente en los laboratorios y con el que se fabrican las cerillas.

·          El fósforo negro presenta una estructura similar al grafito y conduce la electricidad, es el más denso que los otros dos estados y no se inflama.

Características

·         El fósforo es un componente esencial de los organismos.

·         Forma parte de los ácidos nucleicos (ADN y ARN).

·         Forma parte de los huesos y dientes de los animales.

·         En las plantas en una porción de 0,2 % y en los animales hasta el 1 % de su masa es fósforo.

·         El fósforo común es un sólido.

·         De color blanco, pero puro es incoloro.

·         Un característico olor desagradable.

·         Es un no metal.

·         Emite luz por fosforescencia.

Aplicaciones (biológicas)

·         El fósforo es un componente esencial de los organismos.

·         Forma parte de los ácidos nucleicos (ADN y ARN).

·         Forma parte de los huesos y dientes de los animales.

·         En las plantas en una porción de 0,2 % y en los animales hasta el 1 % de su masa es fósforo.

·         El fósforo común es un sólido.

·         De color blanco, pero puro es incoloro.

·         Un característico olor desagradable.

·         Es un no metal.

·         Emite luz por fosforescencia.

• ANTIMONIO

                                                     

                              Tipo n

                              Nombre, símbolo, número               Antimonio, Sb, 51

                              Serie química                                   Metaloides

                              Grupo, período, bloque                   15, 5, p

                              Masa atómica                                  121,760 u

                              Configuración electrónica               [Kr]4d105s25p3

                              Dureza Mohs                                     3

                              Electrones por nivel                          2, 8, 18, 18, 5

                              Propiedades atómicas

                              Radio medio                                   145 pm

                              Electronegatividad                          2,05 (Pauling)

                              Radio atómico (calc)                      133 pm (Radio de Bohr)

                              Radio covalente                              138 pm

                              Radio de van der Waals                Sin datos pm

                              Estado(s) de oxidación                  ±3, 5

                              Óxido acidez                                   media

                              Estructura cristalina                       romboédrica

Características

·         El antimonio en su forma elemental es un sólido cristalino

·         Fundible

·         Quebradizo

·         Blanco plateado

·         Presenta una conductividad eléctrica y térmica baja y se evapora a bajas temperaturas.

·         Este elemento semimetálico se parece a los metales en su aspecto y propiedades físicas, pero se comportan químicamente como un no metal. También puede ser atacado por ácidos oxidantes y halógenos.

Aplicaciones

El antimonio tiene una creciente importancia en la industria de semiconductores en la producción de diodos, detectores infrarrojos y dispositivos de efecto Hall.²

Usado como aleante, este semimetal incrementa mucho la dureza y resistencia a esfuerzos mecánicos de la aleación. También se emplea en distintas aleaciones como peltre, metal antifricción (aleado con estaño), metal inglés (formado por zinc y antimonio), etc.³

Algunas aplicaciones más específicas:

·         baterías y acumuladores⁴

·         tipos de imprenta^5 6 7

·         recubrimiento de cables

·         cojinetes y rodamientos

2.2 Semiconductores extrínsecos de tipo p:

En este caso son los que están dopados con elementos trivalentes, el hecho de ser trivalentes, hace que a la hora de formar la estructura cristalina, dejen una vacante con un nivel energético ligeramente superior al de la banda de valencia, pues no existe el cuarto electrón que lo rellenaría.

• BORO

                       

                            Nombre,símbolo, número               Boro, B, 5

                            Serie química                                   Metaloides

                            Grupo, período, bloque                   13, 2, p

                            Masa atómica                                  10,811(7) u

                            Configuración electrónica               [He]2s22p1

                            Dureza Mohs                                   ~9,5

                            Electrones por nivel                           2, 3

                            Propiedades atómicas

                            Radio medio                                    85 pm

                            Electronegatividad                          2,04 (Pauling)

                            Radio atómico (calc)                      87 pm (Radio de Bohr)

                            Radio covalente                              82 pm

                            Estado(s) de oxidación                  3 (levemente ácido)

                            Propiedades físicas

                            Estado ordinario                  Sólido (no magnético)

                            Densidad                              2460 kg/m3

                            Punto de fusión                    2349 K (2076 °C)

                            Punto de ebullición              4200 K (3927 °C)

                            Entalpía de vaporización    489,7 kJ/mol

                            Entalpía de fusión                50,2 kJ/mol

                            Presión de vapor                 0,348

                            Estructura cristalina             romboédrica

Características

·         transmisión de radiación infrarroja

·         A temperatura ambiente, su conductividad eléctrica es pequeña, pero es buen conductor de la electricidad a alta temperatura.

·         Tiene la más alta resistencia a la tracción entre los elementos químicos conocidos; el material fundido con arco tiene una resistencia mecánica entre 1.600 y 2.400 MPa.

·         El nitruro de boro, un aislante eléctrico que conduce el calor tan bien como los metales

·         Se emplea en la obtención de materiales tan duros como el diamante.

Aplicaciones

·         El compuesto de boro de mayor importancia económica es el bórax que se emplea en grandes cantidades en la fabricación de fibra de vidrio aislante y perborato de sodio.

·         Las fibras de boro usadas en aplicaciones mecánicas especiales, en el ámbito aeroespacial, alcanzan resistencias mecánicas de hasta 3600 MPa.4

·         El boro amorfo se usa en fuegos pirotécnicos por su color verde.

·         El ácido bórico se emplea en productos textiles.5

·         El boro es usado como semiconductor.

·         Los compuestos de boro tienen muchas aplicaciones en la síntesis orgánica y en la fabricación de cristales de borosilicato.

·         Algunos compuestos se emplean como conservantes de la madera, siendo de gran interés su uso por su baja toxicidad.10 and ReB211 12

·         El B-10 se usa en el control de los reactores nucleares, como escudo frente a las radiaciones y en la detección de neutrones.

·         Los hidruros de boro se oxidan con facilidad liberando gran cantidad de energía por lo que se ha estudiado su uso como combustible.5 13

·         En la actualidad, la investigación se está conduciendo en la producción de combustible en forma de hidrógeno con la interacción del agua y de un hidruro de boro (tal como NaBH4).

• GALIO

                              Nombre, símbolo, número               Galio, Ga, 31

                              Serie química                                    Metales del bloque p

                              Grupo, período, bloque                    13, 4, p

                              Masa atómica                                    69,723 u

                              Configuración electrónica                [Ar]3d10 4s2 4p1

                              Dureza Mohs                                     1,5

                              Electrones por nivel                           2, 8, 18, 3

                              Propiedades atómicas

                              Radio medio                                    130 pm

                              Electronegatividad                          1,81 (Pauling)

                              Radio atómico (calc)                      136 pm (Radio de Bohr)

                              Radio covalente                              126 pm

                              Radio de van der Waals                187 pm

                              Estado(s) de oxidación                  3

                              Óxido                                                Anfótero Propiedades físicas

                              Propiedades fisicas

                              Estado ordinario                            Sólido

                              Densidad                                        5904 kg/m3

                              Punto de fusión                              302,91 K (30 °C)

                              Punto de ebullición                        2477 K (2204 °C)

                              Entalpía de vaporización              258,7 kJ/mol

                              Entalpía de fusión                          5,59 kJ/mol

                              Presión de vapor                           9,31 × 10-36 Pa a 302,9 K

                              Estructura cristalina                       Ortorrómbica

 Características

·         El galio es un metal blando

·         grisáceo en estado líquido

·         Plateado brillante al solidificar

·         Sólido deleznable a bajas temperaturas que funde a temperaturas cercanas a la del ambiente (como cesio, mercurio y rubidio) e incluso cuando se sostiene en la mano por su bajo punto de fusión (28,56 °C).

·         El rango de temperatura en el que permanece líquido es uno de los más altos de los metales (2174 °C separan sus puntos de fusión y ebullición) y la presión de vapor es baja incluso a altas temperaturas. El metal se expande un 3,1% al solidificar y flota en el líquido al igual que el hielo en el agua.

Aplicaciones

·         En medicina nuclear se emplea el galio como elemento trazador (escáner de galio) para el diagnóstico de enfermedades inflamatorias o infecciosas activas, tumores y abscesos ya que se acumula en los tejidos que sufren dichas patologías.

• INDIO

                      Nombre, símbolo, número         Indio, In, 49

                      Serie química                             Metales del bloque p

                      Grupo, período, bloque             13, 5, p

                      Masa atómica                            114,818 u

                      Configuración electrónica         [Kr]4d10 5s2 5p1

                      Dureza Mohs                              1,2

                      Electrones por nivel                    2, 8, 18, 18, 3

                      Propiedades atómicas

                      Radio medio                              130 pm

                      Electronegatividad                    1,81 (Pauling)

                      Radio atómico (calc)                 136 pm (Radio de Bohr)

                      Radio covalente                         126 pm

                      Radio de van der Waals          187 pm

                      Estado(s) de oxidación                        3

                      Óxido                                           Anfótero

                      Propiedades físicas

                      Estado ordinario                           Sólido

                      Densidad                                       7310 kg/m3

                      Punto de fusión                             429,75 K (157 °C)

                      Punto de ebullición                       2345 K (2072 °C)

                      Entalpía de vaporización             231,5 kJ/mol

                      Entalpía de fusión                         3,263 kJ/mol

                      Presión de vapor                          1,42 × 10-17 Pa a 429 K

                      Estructura cristalina                      Tetragonal

Características

·         El indio es un metal blanco plateado

·         Muy blando

·         Presenta un lustre brillante

·         Cuando se dobla el metal emite un sonido característico.

·         Su estado de oxidación más característico es el +3, aunque también presenta el +2 en algunos compuestos.

Aplicaciones

·         En la fabricación de aleaciones de bajo punto de fusión. Una aleación con un 24% de indio y un 76% de galio es líquida a temperatura ambiente.

·         Para hacer fotoconductores, transistores de germanio, rectificadores y termistores.

·         Se puede depositar sobre otros metales y evaporarse sobre un vidrio formando un espejo tan bueno como los hechos con plata, pero más resistente a la corrosión.

·         Su óxido se emplea en la fabricación de paneles electroluminiscentes.

·         El óxido de indio y estaño se emplea abundantemente para la fabricación de electrodos transparentes como los presentes en pantallas táctiles, tales como las de teléfonos móviles o tabletas.