SILICIO: COMPUESTOS Y PROPIEDADES

Cristal de cuarzo

SEMICONDUCTORES

A veces los defectos en cristales son aprovechables.  Por ejemplo, en la manufactura de material semiconductor para transistores, los cristales casi perfectos son dopados.  Esto es, se le adicionan impurezas deliberadamente.  El silicio y el germanio, Grupo 14 (IVA), son los elementos más comunes empleados en transistores.  Un cristal puro de cualquiera de estos elementos es un conductor extremadamente pobre.  Sin embargo, si se adiciona una pequeña cantidad de otro elemento, la corriente fluirá fácilmente a través del cristal dopado resultante.

Una mirada más cercana al enlazamiento del silicio o el germanio revela por qué estos elementos se comportan como semiconductores.  Ambos, silicio y germanio, poseen 4 electrones en el nivel más externo, y cristalizan en una estructura similar a la del diamante.  Así, todos los 4 electrones están involucrados en el enlazamiento.  Bajo las circunstancias apropiadas, un electrón puede ser lo suficientemente removido para liberarse del enlace y moverse libremente a través del cristal.  Así, estas sustancias son llamadas semiconductores.

Los átomos de arsénico poseen 5 electrones disponibles para enlazarse y los átomos de galio poseen 3.  Si se introducen átomos de arsénico en un cristal de germanio, habrán electrones extra presentes.  Cuando se aplica un voltaje, los electrones extra se moverán por la red cristalina.

En el caso contrario, los átomos de galio poseen 3 electrones en el nivel más externo.  Así, cuando se introduzcan átomos de galio en un cristal de germanio, éste tendrá una deficiencia de electrones.  La red cristalina deficiente en electrones que resulta, sin embargo, también conducirá la electricidad.  Esto se debe al movimiento de electrones a través de los "agujeros" creados por los átomos de galio.  Nótese que en ambos tipos de doping, el cristal sigue siendo eléctricamente neutro.

Después de su desarrollo a finales de la década de 1940, los transistores se implementaron en lugar de los tubos al vacío en los circuitos electrónicos debido a su pequeño tamaño, larga vida y resistencia al impacto.  Los circuitos integrados de hoy, como los microprocesadores de silicio, contienen miles de transistores.  Computadores, radiorreceptores, marcapasos y hornos microondas son algunos de los muchos productos que hacen que los dispositivos a base de semiconductores sean posibles o perfeccionados.

Con el fin de producir un módulo de circuito integrado, un chip, que es una delgada oblea de silicio, se parte de un cristal muy puro.  El  silicio extremadamente puro es producido por el proceso de refinamiento por zonas.  Un cristal cilíndrico de silicio es colocado en posición vertical y a su alrededor se coloca una bobina de calefacción.  La bobina funde una delgada banda del cristal.  A medida que la bobina se pasa por el cristal, las impurezas quedan en la zona de líquido en movimiento, dejando tras de sí un cristal más puro.  Después de varias pasadas de la bobina de calefacción, puede producirse un cristal de silicio con no más de un átomo extraño por cada diez mil millones de átomos de silicio.  Una oblea de este silicio puro se expone al oxígeno o el vapor de agua a unos 1000ºC.  Las capas superficiales de los átomos de silicio se oxidan a dióxido de silicio, que forma una capa protectora.  La superficie de óxido se recubre con un material fotosensible llamado photoresist.  Después, la oblea recubierta se expone a la luz ultravioleta a través de una "máscara" que contiene el patrón deseado de las zonas a dopar.  Las zonas expuestas del photoresist se eliminan por medio de un solvente y la capa de óxido es eliminada con ácido fluorhídrico.  Después de retirar el resto del photoresist, el chip queda expuesto a vapores del elemento de dopaje correspondiente al Grupo 13 (IIIA) o Grupo 15 (VA).  Estos átomos gaseosos se difunden sólo en donde la superficie queda desprotegida del óxido, es decir, en el patrón de la máscara.  Al repetir este proceso varias veces, los circuitos complejos pueden construirse sobre una superficie de silicio.

BIBLIOGRAFÍA:

- DICCIONARIO ENCICLOPÉDICO MENTOR.  EDICIONES CASTELL.  BARCELONA.  1983.  1504 p.  ISBN 84-7489-198-1

- SMOOT, Robert C./Smith, Richard G./Price, Jack.  Merrill Chemistry.  Glencoe/Mc Graw-Hill.  Westerville, OH.  1998.  928 p.  ISBN 0-02-825526-7