Dispositiu semiconductor, component de circuit electrònic fabricat amb un material que no és ni un bon conductor ni un bon aïllant (per tant, semiconductor). Aquests dispositius han trobat àmplies aplicacions per la seva compacitat, fiabilitat i baix cost. Com a components discrets, han trobat ús en dispositius de potència, sensors òptics i emissors de llum, inclosos làsers d’estat sòlid. Tenen una àmplia gamma de capacitats de maneig de corrent i de tensió, amb qualificacions actuals d'algunes nanoamperes (10 −9amperi) a més de 5.000 amperis i tensions que se situen per sobre dels 100.000 volts. El que és més important, els dispositius semiconductors es presten a la integració en circuits microelectrònics complexos, però fàcilment fabricables. Són, i seran en el futur previsible, els elements clau per a la majoria de sistemes electrònics, inclosos equips de comunicacions, de consum, de tractament de dades i de control industrial.
Principis de semiconductors i unió
Materials semiconductors
Els materials d’estat sòlid s’agrupen generalment en tres classes: aïllants, semiconductors i conductors. (A temperatures baixes, alguns conductors, semiconductors i aïllants poden convertir-se en superconductors.) La figura 1 mostra les conductivitats σ (i les corresponents resistivitats ρ = 1 / σ) associades a alguns materials importants de cadascuna de les tres classes. Els aïllants, com el quars fós i el vidre, tenen conductivitats molt baixes, de l'ordre de 10-18 a 10 –10 siemens per centímetre; i conductors, com ara alumini, tenen altes conductivitats, típicament de 10 4 a 10 6 siemens per centímetre. La conductivitat dels semiconductors es troba entre aquests extrems.
La conductivitat d’un semiconductor és generalment sensible a la temperatura, la il·luminació, els camps magnètics i les quantitats minimes d’àtoms de impuresa. Per exemple, l’addició de menys d’un 0,01 per cent d’un tipus particular d’impuresa pot augmentar la conductivitat elèctrica d’un semiconductor en quatre o més ordres de magnitud (és a dir, 10.000 vegades). A la figura 1 es mostren els intervals de conductivitat de semiconductors per àtoms de impuresa de cinc semiconductors comuns.
L’estudi dels materials semiconductors es va iniciar a principis del segle XIX. Al llarg dels anys, s’han investigat molts semiconductors. La taula mostra una part de la taula periòdica relacionada amb els semiconductors. Els semiconductors elementals són els compostos per espècies d’àtoms únics, com ara el silici (Si), el germani (Ge) i l’estany gris (Sn) de la columna IV i el seleni (Se) i el tel·luri (Te) de la columna VI. Hi ha, però, nombrosos semiconductors compostos que es componen de dos o més elements. L’arsènid de Gallium (GaAs), per exemple, és un compost binari III-V, que és una combinació de gali (Ga) de la columna III i arsènic (As) de la columna V.
Porció de la taula periòdica d’elements relacionats amb els semiconductors
| període | columna | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| II | III | IV | V | VI | |
| 2 | bor
B |
carboni
C |
nitrogen
N |
||
| 3 | magnesi
Mg |
alumini
Al |
silici
Si |
fòsfor
P |
sofre
S |
| 4 | zinc
Zn |
gal
Gall |
germani
Ge |
arsènic
As |
seleni
Se |
| 5 | cadmi
Cd |
indi
In |
estany
Sn |
antimoni
Sb |
tellurium
Te |
| 6 | mercuri
Hg |
plom
Pb |
|||
Els compostos ternaris poden estar formats per elements de tres columnes diferents, com, per exemple, telurur de indi de mercuri (HgIn 2 Te 4), un compost II-III-VI. També poden estar formats per elements de dues columnes, com ara l’arsènid de gallium d’alumini (Al x Ga 1 - x As), que és un compost ternari III-V, on tant Al com Ga provenen de la columna III i el subíndex x està relacionat. fins a la composició dels dos elements des del 100 per cent Al (x = 1) fins al 100 per cent Ga (x = 0). El silici pur és el material més important per a l'aplicació de circuits integrats, i els compostos binaris i ternaris III-V són més significatius per a l'emissió de llum.
Abans de la invenció del transistor bipolar el 1947, els semiconductors eren utilitzats només com a dispositius de dos terminals, com ara rectificadors i fotodiodes. A principis dels anys cinquanta, el germani va ser el principal material semiconductor. Tot i això, es va demostrar inadequat per a moltes aplicacions, ja que els dispositius fabricats amb el material mostraven corrents de fuites elevades a temperatures només elevades. Des del començament dels anys seixanta, el silici s’ha convertit en un substitut pràctic, suplantant pràcticament el germani com a material per a la fabricació de semiconductors. Els motius principals són dos: (1) els dispositius de silici presenten corrents de fuita molt inferiors i (2) diòxid de silici (SiO 2) de gran qualitat, aïllant, és fàcil de produir. La tecnologia de silici és actualment la més avançada entre totes les tecnologies de semiconductors i els dispositius basats en silici constitueixen més del 95 per cent de tot el maquinari de semiconductors venut a tot el món.
Molts dels semiconductors compostos tenen propietats elèctriques i òptiques absents en silici. Aquests semiconductors, especialment l’arsènid de galli, s’utilitzen principalment per a aplicacions d’alta velocitat i optoelectròniques.
