Existe una clase excepcional de materiales que son conocidos como semiconductores, los cuales son una parte muy importante de nuestra vida, ya que se encuentran en casi todos los aparatos electrónicos que utilizamos día a día, por ejemplo: pantallas, teléfonos inteligentes, cámaras fotográficas, entre otros. Además, los semiconductores han sido trascendentales en el desarrollo de la tecnología moderna, debido a que permiten que se fabriquen equipos cada vez más pequeños con menor consumo energético, consiguiendo, en general, muy buenos rendimientos.
¿Cómo se hicieron tan importantes en nuestra vida? Antes de responder, es indispensable saber que existen diferentes tipos de materiales, que se pueden ordenar de acuerdo con sus características físicas y químicas; de esta manera, al clasificarlos por su capacidad para conducir electricidad; estos pueden ser conductores, aislantes o semiconductores. Los primeros incluyen materiales que permiten el flujo de corriente eléctrica de manera muy fácil, como el aluminio, el cobre, el oro y la plata (por lo general metales), por lo que su nombre se debe a que conducen eficazmente la electricidad.
Por el contrario, los aislantes se oponen tanto al flujo de corriente, se utilizan para proteger a las personas de la electricidad, como es el caso de los plásticos que cubren los cables eléctricos; algunos ejemplos son la madera, el vidrio y el aceite. Estas dos clasificaciones son, sin duda, más sencillas de reconocer; de alguna forma la mayoría de las personas tiene cierta facilidad para ubicarlas. Sin embargo, pese a su importancia tecnológica actual, eso no ocurre con los semiconductores, en ocasiones ni se sabe que existe esa clasificación; estos materiales, bajo circunstancias muy especiales como temperatura, pureza o iluminación, permiten un flujo parcial y controlado de corriente, de ahí lo de “semi”. Hasta ahora, dos de los semiconductores más importantes en el mundo han sido el silicio (Si) y el germanio (Ge), que representan la base de la electrónica moderna.
En 1874, el físico Ferdinand Braun fabricó el primer componente electrónico basado en semiconductores, el cual es conocido como “diodo” (válvula de paso de corriente en un solo sentido, como las válvulas antirretorno en hidráulica). Más adelante, en 1947, los físicos Walter Brattain, William Shockley y John Bardeen de Laboratorios Bell (compañía estadunidense de investigación y desarrollo científico, reconocida por sus aportaciones en la electrónica y telecomunicaciones), fabricaron el primer transistor —imagínense un mini apagador o mini interruptor—, también con el uso de semiconductores. Así, se hizo posible el desarrollo de dispositivos eléctricos que dieron pie al auge de la electrónica actual y al progreso de la tecnología; sin ellos, prácticamente sería imposible contar con tan diversa gama de equipos, telecomunicaciones y comodidades que ahora nos parecen comunes y que hace solo un par de años eran solo un sueño o solo parte de la Ciencia Ficción.
La electrónica basada en semiconductores también permitió el desarrollo de alternativas para otras tecnologías, por ejemplo, las lámparas incandescentes, ampliamente utilizadas en años pasados para casi todo lo relacionado con iluminación y que funcionan haciendo pasar corriente eléctrica por un hilo muy delgado en forma de espiral, hecho de un material conductor (el metal tungsteno), hasta calentarlo y así empezara a iluminarse por sí mismo (emitir luz) y con esto, iluminar todo a su alrededor. Sin embargo, además de emitir luz, estas lámparas son muy ineficientes debido a que mucha de la energía utilizada se convierte en calor, lo que resulta en un consumo energético elevado. Debido a esto, la búsqueda de fuentes de luz alternativas ha crecido en años recientes y, gracias al desarrollo de nuevos materiales, esta exploración ha derivado en fuentes de luz con un mejor desempeño, lo que se ve reflejado en un consumo energético más racional, como los focos ahorradores que todos conocemos.
Aunado a esto, la preocupación por el medio ambiente y un mejor aprovechamiento de los recursos naturales ocasionó que en los años 70 se despertara el interés por la implementación de sistemas aún más eficientes. Esto llevó al desarrollo del famoso diodo emisor de luz, mejor conocido como LED (de las siglas del inglés Light Emitting Diode), fabricado por primera vez en 1927 por el inventor ruso Oleg Losev; se trata de un pequeño dispositivo que alberga un vasto trabajo de investigación avanzada sobre fenómenos físicos muy particulares que permiten su funcionamiento. Su fabricación, a diferencia de una lámpara incandescente, es más compleja y costosa porque requiere de técnicas de fabricación sofisticadas basadas en fenómenos físicos y químicos complejos. Por esta razón, no fueron comercializados sino hasta después de más de 40 años de su descubrimiento.
A lo largo de los años, el uso de compuestos sofisticados como los llamados “nitruro de galio e indio”, “fosfuro de galio e indio”, “fosfuro de arseniuro de galio”, “arseniuro de galio”, entre otros, ha dado resultados relevantes en la obtención de fuentes de luz en color azul, verde, amarillo, anaranjado y rojo. A pesar de esto, la integración de estas fuentes de luz en la tecnología electrónica actual basada en silicio, dificulta su desarrollo debido, principalmente, a que requiere de procesos adicionales para su fabricación (por un lado, el emisor de luz y por otro el transistor de silicio), además de la combinación de diferentes elementos químicos.
Es por ello que para lograr una completa integración de un dispositivo que funcione con electricidad para producir luz (electro-fotónico), se requiere del desarrollo de una fuente de luz que esté totalmente basada en la tecnología del Si, para que no repercuta en los costos de producción.
Entonces ¿cómo funciona un LED? y ¿cómo un LED fabricado con Si puede utilizarse en esta tecnología? A pesar de que el principio de funcionamiento de un LED es complejo, en las siguientes líneas vamos a desarrollarlo y explicarlo de manera sencilla:
Como todos los sólidos, los semiconductores están formados por átomos unidos unos con otros. La unión entre los átomos se da a través de los electrones que los constituyen, pero a diferencia de la unión entre átomos en moléculas pequeñas y comunes como el agua, en un sólido, las uniones entre los átomos son más complicadas y la manera más sencilla de entenderlas es a través de la clasificación de los electrones involucrados en los enlaces de acuerdo con su energía.
En este sentido, existen dos regiones de energías bien diferenciadas en los sólidos que son conocidas como banda de valencia (BV) y banda de conducción (BC), las cuales están separadas por una región de energía donde no puede haber electrones (brecha prohibida). La BV está llena de todos los electrones que están implicados en los enlaces que mantienen unidos a los átomos del sólido. La BC es una región donde los electrones son libres de moverse, es decir, no están asignados a una unión átomo-átomo específica, sino que se pueden localizar en cualquier parte del sólido (sin abandonarlo) (Figura 1a).
En el caso de los semiconductores, la brecha prohibida es muy pequeña, tanto que incluso con la energía que tiene la luz visible (rayos del sol o luz artificial) o solo con la energía que proporciona la temperatura ambiental, se pueden extraer electrones de la BV y llevarlos a la BC (Figura 1b) y, de esta manera, se controla el flujo de la corriente eléctrica a través de ellos –porque son los electrones de la BC los únicos capaces de formar una corriente eléctrica en un sólido–.
Cuando un electrón es removido de la BV a la BC, deja un hueco en la BV, pero a pesar de haber abandonado su lugar de origen, mantiene lazos que lo relacionan con el hueco que ha dejado atrás y siempre buscará la forma de regresar a casa, incluso si tiene que renunciar a la energía que había ganado y que lo llevara a la BC donde es libre al menos él así lo cree. Cuando un electrón regresa de la BC a la BV se dice que sufre una recombinación porque se une otra vez con el hueco abandonado; este proceso libera energía en forma de luz de diferentes colores dependiendo del tamaño de la brecha de energía prohibida (Figura 1c).
En el caso de los focos LED, se utiliza la electricidad para promover y controlar este proceso y usando distintos semiconductores con diferente valor de brecha prohibida, se puede obtener una amplia gama de colores en la iluminación.
Como ya lo mencionamos, el Si es el semiconductor base de la electrónica moderna, debido principalmente a sus propiedades físicas y químicas, además de ser el segundo elemento más abundante en la naturaleza —se encuentra en la corteza terrestre combinado con oxígeno en forma de rocas llamadas cuarcitas—. Por si fuera poco, la versatilidad que adquiere por su capacidad de combinarse con otros elementos como el oxígeno, el nitrógeno, el carbono, entre otros, lo convierte en una alternativa muy atractiva en la búsqueda de una fuente de luz compatible. Sin embargo, una de las limitaciones para su aplicación en emisores de luz se relaciona con un detalle natural que tiene el silicio a escalas comunes, piezas de milímetros o centímetros, que dificulta que los electrones que fluyen a través de él puedan recombinarse con su hueco para poder generar luz en el proceso, lo que provoca que el electrón pierda energía de otra manera y no se obtenga la emisión de luz esperada.
Fue hasta los años 90, cuando el científico Canham observó que el Si podía emitir luz después de haber reducido su tamaño hasta escalas nanométricas (mil millonésima parte de un metro) a través de procesos electroquímicos sofisticados para obtener nanocristales, pequeñas acumulaciones perfectamente ordenadas de átomos, mucho pero mucho más pequeñas que granos de azúcar de silicio (ncs-Si). Esto es porque los ncs-Si presentan una ventaja en comparación con una pieza de silicio de tamaño común, debido a que los ncs-Si no obstaculizan a los electrones de la BC para recombinarse con sus respectivos huecos en la BV. Esto dio pie al desarrollo de un nuevo campo del conocimiento basado en los llamados “nanocristales de silicio” con el objetivo de obtener emisores de luz como luciérnagas demasiado pequeñas para ser vistas por el ojo humano.
Cabe mencionar que existen diferentes maneras de obtener ncs-Si. Así como el proceso electroquímico realizado por Canham; también se puede conseguir la formación de estos mediante un crecimiento controlado a través del calentamiento de un vidrio especial (dióxido de silicio) fabricado con exceso de silicio. El control del tamaño de los ncs-Si dependerá de la cantidad de Si en exceso, en otras palabras, a mayor exceso de silicio mayor el tamaño de los ncs-Si, por lo que la composición química del vidrio especial de origen, será muy importante para controlar su emisión, por la posibilidad de modular el color de la luz al variar el tamaño de las partículas, ya que permitiría obtener una emisión perceptible al ojo humano para tamaños menores que 5 nm, lo que llevaría a una amplia gama de aplicaciones.
A manera de conclusión, es posible reflexionar que, si bien las propiedades luminiscentes del Si que podemos ver son limitadas, la implementación de los ncs-Si ha permitido el estudio y desarrollo de nuevos experimentos que ayudan a desarrollar emisores de luz más eficientes y compatibles con la tecnología del Si. A pesar de los grandes avances obtenidos, la cooperación e intercambio de conocimientos en este campo ayudarán a enfrentar los desafíos tecnológicos y la integración de esta tecnología en nuestras vidas. Es por ello que diversos Centros Públicos de Investigación en México como CIMAV subsede Monterrey e INAOE en Puebla, trabajan en colaboración para la implementación de esta tecnología (Figura 2), generando una red que permite la síntesis de materiales y el estudio, diseño y fabricación de dispositivos electrónicos con esta tecnología.
Bibliografía recomendada
Süsskind, C. (1980). Ferdinand Braun: Forgotten Forefather. Advances in Electronics and Electron Physics, 50, 241–260. https://doi.org/10.1016/S0065-2539(08)61064-1.
Nelson, R. R. (1962). The Link Between Science and Invention: The Case of the Transistor. In The Rate and Direction of Inventive Activity: Economic and Social Factors (pp. 549–584). Princeton University Press. Retrieved from http://www.nber.org/chapters/c2141.
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Canham, L. T. (1990). Silicon quantum wire array fabrication by electrochemical and chemical dissolution of wafers. Applied Physics Letters, 57(10), 1046–1048. https://doi.org/10.1063/1.103561
Muller, D. [Veritasium en español]. (24 de febrero de 2024). Porque es Casi Imposible Hacer Luz LED Azul [Video]. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=KzTm5UmF0Xk.
