El silicio es un elemento químico perteneciente a la categoría de los metaloides, ya que no se puede clasificar ni como metal ni como no metal. Eléctricamente se comporta como un semiconductor. Su número atómico es 14 y es el segundo elemento más común en la corteza terrestre después del oxígeno debido a la abundancia de los silicatos. No obstante, no se encuentra en estado libre en la naturaleza y no fue hasta bien entrado el siglo XIX cuando se aisló por primera vez. Puede presentarse en forma amorfa como polvo de color pardo o de forma cristalina con una estructura tipo diamante (derivada de una red cúbica compacta pero con base diatómica), siendo de color oscuro, grisáceo o azulado y con brillo metálico.
Aparte de su uso en forma de silicato (presente en arcillas, arenas y muchos minerales de naturaleza pétrea) es frecuente emplearlo en la producción de un polímero de naturaleza inorgánica de uso muy común, la silicona, y en su forma pura como metal en aleaciones, debido a su ligereza. Pero, sin la más mínima duda, su mayor aplicación actualmente es en la industria microelectrónica para hacer circuitos integrados basados en la tecnología del transistor MOS (metal-óxido semiconductor), que veremos en el capítulo 8. Por ello, no son pocas las voces que ya empiezan a denominar a los tiempos actuales como la Edad del Silicio, debido a la importancia que este elemento tiene en la producción de dispositivos digitales.
Son muchos los esfuerzos que se han hecho durante la segunda mitad del siglo XX para crear los dispositivos electrónicos que se usan actualmente basados en la tecnología MOS. Para ello se han ido desarrollando multitud de técnicas que permiten la construcción de los circuitos integrados, como el dopaje por difusión o implantación iónica, el grabado químico o la deposición controlada de varios materiales.
Para poder comprender el funcionamiento de estos dispositivos electrónicos es necesario primero entender qué tienen de peculiar el silicio en particular y los semiconductores en general[1]. Como ya adelantábamos en el capítulo anterior, los semiconductores se diferencian fácilmente de los metales si se analiza la variación de su resistividad con la temperatura. Mientras que para los metales como el cobre ya vimos en el apartado 2.5 que la conducción aumentaba a medida que disminuía la temperatura, en los semiconductores ocurre lo contrario. Para explicar este hecho tenemos que ir a la escala microscópica y entender qué es un diagrama de bandas de energía como el que se muestra en la figura 2.19.
A partir de la estructura cristalina conocida puede calcularse por distintos métodos el diagrama de bandas de energía de un sólido cristalino, en el que se representa la energía de los estados electrónicos en función del vector número de ondas. Dada la simetría de la celda unidad, se suele definir un camino en el espacio recíproco que recorre ciertos puntos clave de la celda con una simetría dada y que se suelen denotar con letras griegas mayúsculas (Σ, Λ, Γ, Δ, Κ, etc.). El resultado es una serie de curvas o bandas (su número depende del número y tipo de átomos que haya en la celda unidad) que indican dónde se encuentran los posibles estados electrónicos del sistema. A veces, como ocurre en semiconductores y aislantes, existe una región de energías en la que no aparece ninguna de estas bandas, como la que se muestra en gris en la figura 2.19. A ese intervalo de energía o región donde no hay electrones se la conoce como “banda prohibida”. En el caso de los aislantes, esa región es mayor que 3 eV, mientras que en los semiconductores es menor. Por el contrario, en la estructura de bandas de los metales no se encuentra ninguna región prohibida.
Normalmente ocurre que esta región prohibida delimita los estados que, a muy baja temperatura, están ocupados (bandas de valencia) de los que a esa temperatura estarían vacíos, dando lugar a las bandas de conducción. Al aumentar la temperatura es posible que algunos electrones “salten” esa región prohibida por agitación térmica. Entonces aparecería un electrón en la banda de conducción y un hueco en la banda de valencia que contribuiría a la conducción eléctrica del material ya que estaría disponible en la red cristalina. La región prohibida de los semiconductores como el silicio suele ser de 1 eV, que es un valor suficientemente pequeño como para que a temperaturas moderadas el número de pares electrón-hueco sea significativo y el material se comporte aproximadamente como un conductor. De acuerdo con lo explicado, puede entenderse cómo al aumentar la temperatura aumentará la conductividad de un material semiconductor, ya que el número de electrones que promocionan a la banda de conducción será mayor. Por el contrario, a temperaturas muy bajas los semiconductores se comportan como aislantes prácticamente.
Esto que acabamos de describir es un semiconductor ideal de tipo intrínseco, como lo son el silicio o el germanio. Para aumentar la conductividad de un semiconductor intrínseco, existe la posibilidad de introducir un pequeño porcentaje de impurezas de tipo sustitutivo en la estructura cristalina del semiconductor con el fin de aumentar el número de portadores de carga que contribuyen a la conducción. En este caso al semiconductor se le denomina extrínseco y se dice que está dopado; en equilibrio térmico, los números de electrones y huecos no coinciden, lo que supone que hay un número de portadores de carga mayor que en el semiconductor sin dopado (intrínseco). En el caso del silicio, si se añaden impurezas pentavalentes habrá un exceso de electrones, y se habla de un semiconductor extrínseco tipo n, pero si se incorporan impurezas trivalentes habrá un exceso de huecos, siendo un semiconductor tipo p (apartado 5.7).
La combinación de distintos tipos de semiconductores con distintos dopajes, así como algunos elementos conductores y aislantes, es lo que permite construir circuitos electrónicos integrados, que son la base de la tecnología actual. Se utiliza silicio porque es un material que cumple los requisitos en cuanto al comportamiento eléctrico, ya que es un buen semiconductor y además es abundante y relativamente barato. Se puede obtener a partir de muchos minerales y obtener monocristales de gran pureza, sobre los que construir y diseñar los circuitos electrónicos con los componentes deseados (diodos, transistores, condensadores, etc.).
En la industria microelectrónica se recurre desde hace bastante tiempo al método de Czochralski, un procedimiento para la obtención de lingotes monocristalinos que consiste en partir del material fundido y, mediante un control estricto de la temperatura, hacer crecer el monocristal en torno a una varilla que gira lentamente y que en su extremo inferior tiene un pequeño monocristal del mismo material que actúa como semilla. En la figura 2.20 se esquematiza este proceso que da como resultado un monocristal cilíndrico de gran tamaño con una forma que se asemeja a la de un lápiz.
[1] El funcionamiento de estos dispositivos puede resultar complejo. Aunque en el capítulo 8 describimos de forma sucinta cómo funciona un transistor MOS, una referencia más extensa y apropiada para los dispositivos semiconductores en general sería S. M. Sze y K. K. Ng. Physics of Semiconductor Devices. 3ª ed. John Wiley & Sons (2007).
[2] Los resultados de estos cálculos de la estructura electrónica del silicio aparecieron por primera vez en J. R. Chelikowsky y M. L. Cohen. Phys. Rev. B 10 (1974) 5095. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.10.5095 y fueron posteriormente adaptados en J. R. Chelikowsky. MRS Bull. 27 (2002) 951-960. https://doi.org/10.1557/mrs2002.301, de donde también procede el esquema de la estructura cristalina.
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/.
