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Vamos a iniciar el estudio de los materiales semiconductores comenzando con los semiconductores básicos Silicio y Germanio. Seguimos con los compuestos binarios, que se obtienen de la combinación de dos de los elementos químicos de la tabla periódica y continuaremos con la derivación de los materiales semiconductores ternarios, indicando algunas de sus propiedades estructurales, ópticas y eléctricas.

Semiconductores

Desde hace varias décadas se han estudiado los materiales semiconductores, principalmente porque sus propiedades eléctricas y ópticas son fundamentales en la fabricación de transistores, celdas solares y otros dispositivos optoelectrónicos.

Semiconductores naturales

Los semiconductores más usados son los dos elementos del grupo IV de la tabla periódica, es decir, silicio (Si) y germanio (Ge). Son los que se han estudiado con mayor detalle debido a que pueden ser obtenidos con alta pureza y crecidos en forma monocristalina con mayor facilidad y, en principio, libre de dislocaciones, vacancias y/o intersticiales en la red y otras imperfecciones estructurales. Ambos poseen la estructura cúbica del carbono C (diamante). La coordinación es tetraédrica y los enlaces son predominantemente covalentes.

El diamante posee los enlaces más fuertes y la brecha de energía más grande (entre todos los semiconductores conocidos?). A temperatura ambiente es un aislante, pero si se calienta hasta 1000 ºC, pueden ser excitados suficientes portadores sobre la brecha de energía convirtiéndolo en un semiconductor intrínseco. El Ge puede ser refinado fácilmente para hacerlo intrínseco y para el Si esto es casi imposible, pues se necesita un nivel de impurezas de cuatro órdenes de magnitud inferior al del Ge. Sin embargo, el Si extrínseco se usa mucho en dispositivos semiconductores.

Semiconductores binarios

La posibilidad de formar nuevos materiales semiconductores, condujo al estudio de los compuestos binarios: GaAs, AlP, InSb, etc., los cuales resultan de la combinación de los elementos de los grupos III y V de la tabla periódica.

Además de estos materiales, ciertos compuestos tales como: CdTe, CdSe, ZnS, etc., también son semiconductores bien conocidos; los cuales se forman con elementos de los grupos II y VI de la tabla periódica. Las altas movilidades de los portadores de carga observadas en estos materiales, la cual produce una conductividad eléctrica elevada, y la posibilidad de variar sus propiedades eléctricas y ópticas mediante el dopaje extrínseco los convirtieron en materiales de interés tecnológico.

Semiconductores ternarios

Hahn y Goodman mostraron que los semiconductores ternarios de las familias II-IV-V2 y I-III-VI2 son una extensión natural de los compuestos binarios de las familias III-V y II-VI, respectivamente. Aquí se sustituye el elemento del grupo III con los del grupo II y IV, y el elemento del grupo II por I y III, respectivamente.

La derivación de estos compuestos tetraédricos cumple con la fórmula de Pamplin, la cual establece que en las sustituciones realizadas dentro de los sitios ocupados por los cationes exista un número promedio de cuatro electrones de valencia por sitio atómico en la red, es decir, que en la concentración total de electrones de valencia existan cuatro electrones disponibles para realizar los enlaces entre el anión y los cuatro cationes que forman la estructura tetraédrica. Por ejemplo:

Se sabe que los compuestos ternarios presentan una serie de nuevas propiedades con relación a los binarios de los que se derivan. Uno de estos efectos es que la brecha de energía de estos materiales es menor que la de sus binarios análogos.

Se ha demostrado que esta anomalía depende directamente del efecto de la hibridación de los estados p-d en el compuesto formado, la electronegatividad de cada elemento, la distorsión tetragonal DT = c/2a diferente de 1 y el desplazamiento no ideal del anión DNIA diferente a ¼, entre otros. En algunos casos, este efecto desplaza la brecha de energía hacia la región del infrarrojo (aproximadamente 1000 nm), convirtiéndolos en candidatos óptimos para la conversión de la energía solar en eléctrica, por lo que es de gran interés tecnológico el estudio de estos compuestos ternarios.

Hasta aquí te planteo la clasificación de los semiconductores según el número de elementos químicos constituyentes y algunas de sus propiedades estructurales, ópticas y eléctricas.

Llegué al punto de interés que es su aplicación en dispositivos optoelectrónicos, como diodos emisores de luz, sensores o celdas solares.

En el siguiente post seguiremos conociendo más sobre estos materiales semiconductores que están presentes en todos los aparatos electrónicos que tenemos a nuestro alrededor.

Las imágenes son de mi autoría usando el programa Diamond 3.2, el texto corresponde al trabajo especial de grado para el Doctorado en la Universidad de Los Andes.