¿Qué son los Materiales Semiconductores?
Son todos los materiales utilizados en el proceso de fabricación de dispositivos semiconductores.
En el proceso inicial, las obleas se utilizan para formar chips semiconductores en la superficie, las fotomáscaras se utilizan como placas originales cuando los patrones de circuito, que son información de diseño, se graban en la oblea, y se utilizan gases de materiales semiconductores como el gas de grabado y el gas de limpieza. En las etapas posteriores, se utilizan moldes para los paquetes en los que se colocan los chips, cables de unión que conectan los electrodos de los chips con el exterior y encapsulantes de resina o cerámica que protegen los chips dentro del paquete.
Entre los diversos materiales semiconductores, la oblea que forma el cuerpo del chip es el material más importante, y “materiales semiconductores” se refiere generalmente a las obleas.
Usos de los Materiales Semiconductores
Existen dos tipos de materiales semiconductores (obleas): los semiconductores fabricados a partir de un único elemento y los semiconductores compuestos fabricados a partir de dos o más elementos, que se utilizan en el campo de los semiconductores en función de sus características respectivas.
El silicio (Si) y el galio (Ga) son los semiconductores de un solo elemento más comunes, especialmente las obleas de silicio. Se utilizan en productos semiconductores como los de bajo coste porque son relativamente baratos y las obleas de gran diámetro son fáciles de fabricar.
Entre los semiconductores compuestos se encuentran el carburo de silicio (SiC), el nitruro de galio (GaN) y el arseniuro de galio (GaAs). Los semiconductores compuestos pueden utilizarse en dispositivos de alta frecuencia, ordenadores de alta velocidad, LED y equipos de comunicación óptica, ya que el movimiento de los electrones en el cristal es más rápido que en el silicio y tienen funciones superiores de recepción y emisión de luz.
Principios de los Materiales Semiconductores
Las obleas de silicio, el material semiconductores (wafers) más utilizado, son finas láminas circulares de silicio de gran pureza.
1. Proceso de Extracción de un solo Cristal
En la fabricación de obleas de silicio, primero se refina y purifica el silicio para producir silicio policristalino altamente purificado, que luego puede utilizarse como materia prima para producir lingotes monocristalinos en el proceso de extracción monocristalina.
En el proceso de extracción monocristalina, el silicio policristalino se funde junto con ácido bórico (B) y fósforo (P) en un crisol de cuarzo y se arrastra hasta la superficie del silicio fundido mientras se hace girar una varilla de silicio de cristal semilla sobre la superficie líquida para producir lingotes monocristalinos. Las trazas de ácido bórico y fósforo añadidas en esta fase tienen un efecto significativo en las propiedades eléctricas del producto semiconductor final.
2. Proceso de Elaboración de Obleas
El lingote monocristalino se corta en obleas finas en el siguiente proceso de procesamiento de obleas y, a continuación, se pule hasta conseguir un acabado de espejo para eliminar las irregularidades de la superficie de la oblea. El proceso de pulido también se denomina pulido, y las obleas en esta fase se denominan obleas pulidas.
Las obleas pulidas pueden utilizarse como semiconductores tal cual. En función de las necesidades de los fabricantes de semiconductores, se añaden tratamientos especiales, como las obleas recocidas para productos miniaturizados, en las que se elimina el oxígeno de la superficie de la oblea mediante un tratamiento térmico a alta temperatura (recocido), y las obleas epitaxiales, en las que los monocristales de silicio crecen en la superficie de la oblea mediante crecimiento en fase vapor (crecimiento epitaxial).
Tipos de Materiales Semiconductores
Los semiconductores pueden dividirse en tres tipos principales según el grado de integración funcional. Algunos ejemplos típicos son los semiconductores discretos, los circuitos integrados (CI) y los circuitos integrados a gran escala (LSI).
1. Semiconductores Discretos
Son elementos con una única función y tienen el menor nivel de integración entre los semiconductores. Ejemplos típicos de semiconductores discretos son los diodos y los transistores. Los diodos tienen la función de conducir la corriente en una dirección, mientras que los transistores tienen la función de controlar la corriente. Los semiconductores discretos se utilizan en muchos dispositivos familiares como coches, ordenadores y smartphones.
2. Circuitos Integrados (CI)
Un CI (en inglés: Integrated Circuit) es una integración de varios elementos. Constan de varios transistores y diodos y se clasifican en SSI (Small Scale Integration), MSI (Middle Scale Integration) o LSI (Large Scale Integration) según su grado de integración.
3. LSI (Integración a gran Escala)
LSI es un tipo de CI con un alto grado de integración; CI y LSI suelen utilizarse indistintamente. Los LSI integran diodos, transistores y elementos pasivos y tienen funciones complejas. Se utilizan ampliamente en productos que hacen más cómoda la vida de las personas, como automóviles, ordenadores, smartphones, equipos de audio y cámaras digitales.