Curso de Electrónica Básica #2.7 – Teoría de Semiconductores
📘 Fundamentos, funcionamiento, simulación y experimentación práctica
Introducción a la teoría de semiconductores
La teoría de semiconductores es uno de los pilares fundamentales de la electrónica moderna. Prácticamente todos los dispositivos electrónicos actuales —desde radios y televisores hasta computadoras, teléfonos móviles, fuentes conmutadas e inversores de potencia— se basan en el comportamiento eléctrico de los materiales semiconductores.
En este módulo del Curso de Electrónica Básica #2.7, estudiaremos en profundidad qué son los semiconductores, cómo se comportan eléctricamente, por qué son tan importantes y cómo se utilizan para fabricar componentes esenciales como diodos, transistores y circuitos integrados.
Este contenido está diseñado para:
- Estudiantes de electrónica
- Técnicos y autodidactas
- Aficionados que desean entender la electrónica desde la base
- Profesionales que desean reforzar fundamentos teóricos
Además, incluiremos:
- 📐 Explicaciones físicas y eléctricas
- 🧪 Ejemplos de experimentación práctica
- 💻 Simulación de circuitos con semiconductores
- 🔍 Conceptos aplicados a la electrónica real
¿Qué es un semiconductor?
Un semiconductor es un material cuya conductividad eléctrica se encuentra entre la de un conductor y la de un aislante.
Comparación básica de materiales
|
Tipo de material |
Conductividad |
|---|---|
|
Conductores |
Muy alta |
|
Semiconductores |
Intermedia |
|
Aislantes |
Muy baja |
La característica más importante de los semiconductores es que su conductividad puede controlarse, lo que los convierte en materiales ideales para dispositivos electrónicos.
Ejemplos de materiales semiconductores
- Silicio (Si) ✅ (el más utilizado)
- Germanio (Ge)
- Arseniuro de galio (GaAs)
- Carburo de silicio (SiC)
En la electrónica comercial, el silicio domina ampliamente debido a su estabilidad térmica, abundancia y bajo costo.
Estructura atómica del semiconductor
Para entender cómo funciona un semiconductor, es fundamental analizar su estructura atómica.
Átomo de silicio
- El silicio tiene 4 electrones de valencia
- Forma enlaces covalentes con átomos vecinos
- Genera una red cristalina estable
En estado puro (silicio intrínseco):
- Todos los electrones están ligados
- No hay electrones libres suficientes
- La conductividad es muy baja
Bandas de energía en los semiconductores
Uno de los conceptos más importantes de la teoría de semiconductores es el de bandas de energía.
Bandas principales
- Banda de valencia
- Electrones ligados al átomo
- Banda de conducción
- Electrones libres que permiten el flujo de corriente
- Banda prohibida (gap energético)
- Separación energética entre ambas bandas
Gap energético
- En conductores: gap ≈ 0
- En aislantes: gap muy grande
- En semiconductores: gap pequeño (≈ 1 eV)
👉 Esto permite que con calor, luz o tensión eléctrica, los electrones salten a la banda de conducción.
Semiconductor intrínseco
Un semiconductor intrínseco es un material puro, sin impurezas añadidas.
Características
- Conductividad baja
- Igual número de electrones y huecos
- Muy sensible a la temperatura
Generación de portadores
Cuando un electrón salta a la banda de conducción:
- Deja un hueco en la banda de valencia
- El hueco actúa como una carga positiva móvil
📌 En semiconductores:
- La corriente fluye por electrones y huecos
Dopaje: la clave de la electrónica
Para que un semiconductor sea realmente útil, se modifica mediante un proceso llamado dopaje.
¿Qué es el dopaje?
Es la adición controlada de impurezas al semiconductor para aumentar su conductividad.
Semiconductor tipo N
Se obtiene al dopar silicio con átomos pentavalentes (5 electrones de valencia).
Dopantes comunes
- Fósforo (P)
- Arsénico (As)
- Antimonio (Sb)
Funcionamiento
- 4 electrones forman enlaces
- 1 electrón queda libre
- Aumenta la conductividad
🔴 Portadores mayoritarios: electrones
🔵 Portadores minoritarios: huecos
🟢 Electrón extra
Semiconductor tipo P
Se obtiene al dopar silicio con átomos trivalentes (3 electrones de valencia).
Dopantes comunes
- Boro (B)
- Aluminio (Al)
- Galio (Ga)
Funcionamiento
- Falta un electrón para completar enlaces
- Se crean huecos
- Aumenta la conducción por huecos
🔵 Portadores mayoritarios: huecos
🔴 Portadores minoritarios: electrones
Unión PN: el corazón de los semiconductores
Cuando se une un material tipo P con uno tipo N se forma una unión PN, base de dispositivos como:
- Diodos
- Transistores
- LEDs
- Circuitos integrados
Región de agotamiento
En la unión PN:
- Electrones del lado N cruzan al lado P
- Huecos del lado P cruzan al lado N
- Se recombinan
Esto genera una zona sin portadores libres, llamada región de agotamiento.
Polarización de la unión PN
Polarización directa
- P conectado a positivo
- N conectado a negativo
- La barrera se reduce
- El diodo conduce
Polarización inversa
- P a negativo
- N a positivo
- La barrera aumenta
- No hay conducción (idealmente)
Aplicaciones directas de la teoría de semiconductores
Gracias a estos principios se fabrican:
- 🔹 Diodos rectificadores
- 🔹 Diodos Zener
- 🔹 LEDs
- 🔹 Transistores BJT
- 🔹 MOSFETs
- 🔹 IGBTs
- 🔹 Circuitos integrados
Simulación de semiconductores (parte práctica)
La simulación permite entender el comportamiento sin riesgo de daño.
Simulación recomendada: Diodo PN
Software sugerido
- Proteus
- Multisim
- LTspice
Circuito básico
- Fuente DC
- Resistencia
- Diodo de silicio
Qué observar
- Caída de tensión ≈ 0.7 V
- Corriente creciente
- Comportamiento no lineal
📊 Se puede graficar la curva I-V del diodo.
Simulación de materiales tipo P y N
En simuladores avanzados se puede observar:
- Concentración de portadores
- Región de agotamiento
- Corriente inversa
Esto ayuda a comprender fenómenos reales en:
- Rectificadores
- Fuentes conmutadas
- Protección electrónica
Experimentación práctica con semiconductores
Experimento 1: Comprobación de un diodo
Materiales
- Multímetro
- Diodo 1N4007
Procedimiento
- Modo prueba de diodos
- Medir en ambos sentidos
Resultado esperado
- Conduce en un solo sentido
Experimento 2: Influencia de la temperatura
- Calentar suavemente un diodo
- Medir caída de tensión
- Observar disminución del voltaje directo
📌 Esto demuestra la dependencia térmica del semiconductor.
Importancia de la teoría de semiconductores en la electrónica moderna
Sin semiconductores no existirían:
- Computadores
- Internet
- Automatización industrial
- Energías renovables
- Electrónica de potencia
- Electrónica biomédica
Entender esta teoría permite:
- Diagnosticar fallas
- Diseñar circuitos
- Optimizar eficiencia
- Reducir pérdidas
Errores comunes al estudiar semiconductores
❌ Pensar que solo conducen electrones
❌ Ignorar el papel de los huecos
❌ No entender la unión PN
❌ Saltar la teoría e ir directo a circuitos
❌ No relacionar física con electrónica aplicada
Recomendaciones para el estudiante
✔ Domina los conceptos antes de avanzar
✔ Usa simulación como apoyo
✔ Realiza experimentos reales
✔ Relaciona teoría con aplicaciones
✔ Aplica lo aprendido en proyectos
Conclusión
La teoría de semiconductores es uno de los temas más importantes de toda la electrónica. Comprender cómo funcionan los materiales tipo P y N, la unión PN y el movimiento de portadores es esencial para entender cualquier circuito electrónico moderno.
Este módulo del Curso de Electrónica Básica #2.7 de UltraDavid37 Electrónica sienta las bases necesarias para avanzar hacia:
- Diodos
- Transistores
- Amplificadores
- Electrónica de potencia
- Fuentes conmutadas
- Inversores DC-AC
📢 Dominar los semiconductores es dominar la electrónica.