¿Qué es un semiconductor? Tipos, materiales y aplicaciones

Los semiconductores son materiales cuya conductividad eléctrica puede controlarse. Esa sencilla propiedad permite a los ingenieros fabricar componentes que conmutan, amplifican, rectifican, detectan, emiten luz y convierten energía eléctrica. El silicio sigue siendo el material principal para una gran parte de los dispositivos electrónicos, pero los materiales compuestos y de banda ancha se utilizan ahora en aplicaciones en las que la frecuencia, la tensión, la temperatura, el rendimiento óptico o la eficiencia energética son más importantes que el mero coste del material.

Para un responsable de compras o un ingeniero, el término “semiconductor” no es una descripción suficiente para una orden de compra. Un diodo, un MOSFET, un fotodiodo, un microcontrolador y un amplificador de potencia de RF pueden ser todos semiconductores, pero cada uno tiene especificaciones, encapsulado, riesgos relacionados con el ciclo de vida y necesidades de inspección diferentes. Esta guía explica los principales tipos y materiales de semiconductores, y luego los relaciona con el abastecimiento práctico de componentes.

¿Qué es un semiconductor?

Definición de «semiconductor»

Un semiconductor es un material cuya conductividad eléctrica se sitúa entre la de un buen conductor y la de un aislante. Su conductividad puede modificarse añadiendo impurezas de forma controlada, aplicando un campo eléctrico, variando la temperatura o exponiéndolo a la luz. El silicio es el ejemplo más utilizado. El germanio, el arseniuro de galio, el fosfuro de indio, el nitruro de galio y el carburo de silicio también se utilizan para satisfacer requisitos específicos de determinados dispositivos.

El material resulta útil cuando se le da forma para crear la estructura de un dispositivo. Una unión p-n puede dar lugar a un diodo o a un fotodiodo. La disposición cuidadosa de distintas regiones, óxidos y contactos metálicos permite crear un transistor. A continuación, se pueden fabricar numerosos transistores y otras estructuras en un único chip para crear un circuito integrado.

En qué se diferencian los semiconductores de los conductores y los aislantes

Los conductores, como el cobre, tienen muchos portadores de carga móviles, por lo que la corriente fluye con facilidad. Los aislantes, como el vidrio, oponen una fuerte resistencia a la corriente en condiciones normales. Un semiconductor se sitúa entre estos dos extremos. Su comportamiento puede ajustarse durante la fabricación y, en un dispositivo terminado, controlarse mediante tensión, luz, temperatura o condiciones magnéticas.

Esa capacidad de control es la diferencia fundamental. Permite que un circuito active y desactive la corriente, regule una tensión, detecte la luz, procese una señal o convierta energía con una eficiencia definida. El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología describe los semiconductores, como el silicio, como materiales con una conductividad eléctrica ajustable y los identifica como la base de los complejos circuitos integrados que se utilizan en las comunicaciones, la informática, la sanidad y el transporte. Resumen del NIST sobre semiconductores

Por qué los semiconductores son esenciales para la electrónica moderna

La electrónica moderna utiliza semiconductores en varios niveles. Los dispositivos discretos protegen y controlan la corriente. Los circuitos integrados analógicos acondicionan las señales y gestionan la potencia. Los circuitos integrados digitales realizan funciones lógicas y de memoria. Los dispositivos optoelectrónicos conectan los sistemas eléctricos y ópticos. Los semiconductores de potencia gestionan la energía en cargadores, accionamientos de motores, inversores solares y vehículos eléctricos.

En lo que respecta a las compras, esta variedad implica que la categoría del componente por sí sola no determina su idoneidad. El número de referencia exacto del fabricante, el sufijo, el embalaje, el grado de temperatura y la revisión deben coincidir con los requisitos de diseño.

¿Cómo funcionan los semiconductores?

Electrones, huecos y conductividad eléctrica

En un semiconductor, la corriente es transportada por electrones y por huecos. Un electrón es un portador con carga negativa. Un hueco es la ausencia de un electrón en una estructura cristalina y se comporta como un portador de carga positiva. El movimiento y la concentración de estos portadores determinan cómo responde el material a una tensión aplicada.

El cristal se modifica mediante el dopaje. El dopaje consiste en añadir una cantidad controlada de otro elemento para modificar los portadores disponibles. El resultado no es simplemente un material que conduzca más o menos. Se crean regiones con un comportamiento eléctrico diferente, que los ingenieros utilizan para construir uniones, canales, puertas y otras estructuras de dispositivos.

Semiconductores intrínsecos y extrínsecos

Un semiconductor intrínseco es un semiconductor relativamente puro cuya concentración de portadores viene determinada principalmente por el material y la temperatura. Un semiconductor extrínseco ha sido dopado intencionadamente para modificar sus propiedades eléctricas. La mayoría de los dispositivos semiconductores prácticos utilizan regiones extrínsecas cuidadosamente controladas, en lugar de un cristal totalmente uniforme.

Un mismo material base puede servir de soporte a diferentes dispositivos, ya que el proceso de fabricación controla la ubicación, la concentración y la geometría de las regiones dopadas. Esta es una de las razones por las que el nombre del material por sí solo no basta para seleccionar un componente.

Materiales semiconductores de tipo N y de tipo P

El material de tipo N contiene impurezas donantes que aportan más electrones libres. El material de tipo P contiene impurezas aceptoras que generan más huecos. Cuando ambas regiones se unen, la unión p-n resultante puede conducir la electricidad de forma diferente en función de la tensión aplicada. Este comportamiento se aprovecha en rectificadores, diodos de señal, LED, fotodiodos y numerosas estructuras de sensores.

En un transistor, las regiones y terminales adicionales permiten que el dispositivo controle una corriente o tensión mayor con una señal de entrada más pequeña. El funcionamiento exacto depende de la familia del dispositivo, las condiciones de polarización, el encapsulado y los límites indicados en la ficha técnica. A la hora de elegir un sustituto, hay que comprobar que se ajuste a dichos límites, en lugar de seleccionarlo únicamente porque tenga el mismo nombre genérico de dispositivo.

¿Cuáles son los principales tipos de semiconductores?

Semiconductores discretos

Los semiconductores discretos son dispositivos individuales que se suministran como componentes independientes. Algunos ejemplos comunes son:

• Diodos para rectificación, protección, limitación, conmutación y detección de señales.
• Rectificadores para convertir la corriente alterna en corriente continua en fuentes de alimentación y cargadores.
• Transistores para conmutación, amplificación, regulación y control de potencia.
• MOSFET e IGBT para accionamientos de motores, convertidores, inversores y otras etapas de potencia.
• LED, fotodiodos, diodos láser y otros componentes optoelectrónicos.

Al seleccionar un dispositivo discreto, comprueba los parámetros eléctricos, el comportamiento de conmutación, la ruta térmica, el encapsulado, la disposición de pines, el marcado y los requisitos de montaje. Dos componentes pueden parecer similares, pero tener umbrales de puerta, capacitancias, comportamiento de recuperación, resistencia térmica o áreas de funcionamiento seguro diferentes.

Circuitos integrados

Los circuitos integrados combinan numerosas estructuras semiconductoras en un solo chip. Entre ellos se incluyen microcontroladores, microprocesadores, dispositivos de memoria, circuitos integrados analógicos, circuitos integrados de gestión de energía, dispositivos de interfaz, sensores y circuitos integrados específicos para aplicaciones.

El proceso de adquisición de circuitos integrados incluye varios controles. Confirma el código de pedido completo, la densidad de memoria o la versión de la interfaz cuando sea pertinente, el sufijo del encapsulado, el grado de temperatura, el acabado de los pines, el método de embalaje y el estado del ciclo de vida. En el caso de los dispositivos programables, también es importante la compatibilidad del software y la configuración. Una alternativa compatible en cuanto a pines puede requerir, aun así, una validación técnica.

Semiconductores de potencia, lógicos, analógicos y de señal mixta

Los semiconductores de potencia se seleccionan en función de la tensión, la corriente, la frecuencia de conmutación, las pérdidas por conducción, las pérdidas por conmutación, la resistencia térmica y el comportamiento de protección. Los dispositivos lógicos procesan estados binarios. Los dispositivos analógicos gestionan señales continuas, como la tensión, la corriente, la temperatura y la presión. Los circuitos integrados de señal mixta combinan funciones analógicas y digitales, a menudo con convertidores, interfaces, relojes y control integrado.

Las categorías se solapan. Un circuito integrado de gestión de potencia puede incluir control analógico, supervisión digital, lógica de protección y una etapa de conmutación. A la hora de revisar la lista de materiales, agrupa los componentes por función y riesgo, en lugar de dar por sentado que todos los circuitos integrados pueden evaluarse con la misma lista de comprobación.

¿Qué materiales se utilizan en los dispositivos semiconductores?

Familia de materiales	Puntos fuertes habituales	Instrucciones generales de uso	Comprobación del comprador
Silicio	Tecnología de fabricación consolidada, amplia gama de dispositivos, red de proveedores consolidada	Lógica, memoria, analógica, sensores y dispositivos de potencia convencionales	Proceso exacto, paquete, clasificación, ciclo de vida y origen
Germanio	Propiedades útiles de los materiales en determinados dispositivos y ámbitos de investigación	Aplicaciones especializadas y heredadas	Confirma la disponibilidad actual y las especificaciones exactas del dispositivo
GaAs e InP	Rendimiento en alta frecuencia u optoelectrónico en determinados diseños	Sistemas de radiofrecuencia, microondas, láser y fibra óptica	Verificar la frecuencia, los parámetros ópticos, el encapsulado y la homologación
SiC y GaN	Comportamiento de banda ancha para diseños de alta potencia, alta frecuencia o alta temperatura	Conversión de energía para vehículos eléctricos, cargadores, radiofrecuencia, centros de datos y energía industrial	Comprueba las características dinámicas, el control de la puerta, el diseño térmico y la homologación para la aplicación

Silicio y germanio

El silicio sigue siendo el material dominante porque combina propiedades eléctricas útiles con un ecosistema de fabricación consolidado y una amplia gama de estructuras de dispositivos. Se utiliza en circuitos lógicos, de memoria y analógicos, en sensores y en numerosos dispositivos de potencia. El germanio es menos habitual en el suministro de componentes convencionales, pero sigue siendo relevante en determinadas aplicaciones de semiconductores, infrarrojos y otras aplicaciones especializadas.

Semiconductores compuestos, como el GaAs y el InP

Los semiconductores compuestos combinan elementos de diferentes grupos de la tabla periódica. El arseniuro de galio y el fosfuro de indio se utilizan cuando las propiedades de alta frecuencia, ópticas o de otro tipo de estos materiales justifican sus consideraciones específicas en cuanto a fabricación y suministro. El comprador no debe considerar una pieza de GaAs o InP como un sustituto genérico de un dispositivo de silicio. El rango de frecuencias, la longitud de onda óptica, el encapsulado, el comportamiento térmico y la homologación del sistema pueden variar.

Materiales de banda ancha, como el SiC y el GaN

El carburo de silicio y el nitruro de galio tienen bandas prohibidas más amplias que el silicio. Su uso es cada vez más frecuente en aplicaciones de potencia y de radiofrecuencia en las que son importantes el rendimiento de conmutación, la capacidad de tensión, las condiciones térmicas, el tamaño o la eficiencia. SEMI vincula su adopción a la movilidad eléctrica, las energías renovables, el 5G, la fabricación inteligente y la robótica. Resumen de SEMI sobre materiales semiconductores

El SiC es habitual en la conversión de potencia de alta tensión, incluidos los inversores y los sistemas de recarga de vehículos eléctricos. El GaN se utiliza en la conversión de potencia de alta frecuencia y en diseños de radiofrecuencia, incluidos algunos cargadores compactos y equipos de comunicaciones. Estos dispositivos siguen requiriendo una revisión completa del sistema. Un intervalo de banda más amplio no convierte automáticamente a un dispositivo en un sustituto directo. El departamento de ingeniería debe comprobar las condiciones de control de la puerta, el diseño, los transitorios de conmutación, las vías térmicas, la protección y la homologación de fiabilidad.

¿Cuáles son los dispositivos semiconductores más comunes?

Diodos y rectificadores

Los diodos conducen preferentemente en una dirección. La selección de un rectificador puede tener en cuenta la tensión directa, la tensión inversa, el comportamiento de recuperación inversa, la fuga, la corriente de sobretensión, el rango de temperatura y el rendimiento térmico del encapsulado. Los rectificadores Schottky, de recuperación rápida, TVS, Zener, de señal y de puente cumplen diferentes funciones.

Transistores de unión bipolar, MOSFET e IGBT

Los transistores de unión bipolar utilizan el control de corriente en la base, mientras que los MOSFET utilizan un campo eléctrico en la puerta para controlar el canal. Los IGBT combinan una estructura de puerta MOS con características de conducción bipolares y se utilizan en determinadas aplicaciones de conmutación de alta potencia. La elección adecuada depende de la tensión, la corriente, la frecuencia, las pérdidas por conducción, las pérdidas de conmutación, el circuito de control, el diseño térmico y las condiciones de fallo.

En una solicitud de compra, indica el número de referencia completo y el tipo de encapsulado, en lugar de escribir únicamente “MOSFET” o “transistor de potencia”. Comprueba si la aplicación requiere un valor específico de RDS(on), carga de puerta, capacidad de avalancha, condiciones de aislamiento o grado de homologación.

LED, fotodiodos, sensores y circuitos integrados

Los LED convierten la energía eléctrica en luz. Los fotodiodos convierten la luz incidente en una señal eléctrica. Los sensores utilizan estructuras semiconductoras para detectar la temperatura, la presión, el movimiento, los campos magnéticos, los gases, la luz u otras condiciones. Los circuitos integrados combinan numerosas funciones en un dispositivo compacto.

DuoLink’s categoría de optoelectrónica Esto es relevante cuando una lista de materiales (BOM) incluye LED, fotodiodos o componentes relacionados con la luz. Las piezas ópticas requieren comprobaciones adicionales, como la longitud de onda, la potencia radiante o luminosa, el ángulo de visión, la respuesta del detector, el encapsulado y el comportamiento térmico.

¿Dónde se utilizan los semiconductores?

Los semiconductores están presentes en casi todos los sistemas electrónicos modernos. En la electrónica de consumo, los ordenadores y los centros de datos, los procesadores, la memoria, los circuitos integrados de gestión de la alimentación, los sensores, los circuitos integrados de interfaz y los dispositivos ópticos funcionan de forma conjunta. Los equipos de computación de alto rendimiento y de los centros de datos también plantean grandes exigencias en materia de conversión de energía, gestión térmica, memoria e interconexiones de alta velocidad.

La electrónica de automoción utiliza microcontroladores, sensores, dispositivos de potencia, circuitos integrados de comunicación, controladores de LED, dispositivos de control de motores y componentes de protección. Los vehículos eléctricos incorporan además inversores de tracción, sistemas de gestión de baterías, cargadores a bordo, convertidores CC-CC e infraestructura de recarga. El carburo de silicio se asocia cada vez más a la conversión de potencia de alta tensión, aunque la elección final del dispositivo sigue dependiendo de la plataforma del vehículo y de los requisitos de homologación. El Departamento de Energía de EE. UU. describe los dispositivos basados en silicio como la base consolidada de la electrónica de potencia de los vehículos e identifica el SiC y el GaN como importantes áreas de investigación en el ámbito de los materiales de banda ancha. Investigación en electrónica de potencia del DOE

Las comunicaciones 5G utilizan circuitos de entrada de radiofrecuencia, amplificadores de potencia, filtros, convertidores, procesadores y componentes de redes ópticas o cableadas. La automatización industrial utiliza controladores lógicos programables (PLC), variadores de motor, controles robóticos, sensores, relés y componentes electrónicos relacionados con la seguridad. Los equipos médicos, los sistemas aeroespaciales y las aplicaciones de defensa pueden imponer requisitos más estrictos en materia de homologación, trazabilidad, medio ambiente, exportación o documentación.

DuoLink describe su actividad como un servicio independiente de suministro de componentes electrónicos, que incluye semiconductores, circuitos integrados, abastecimiento de listas de materiales (BOM), consultas sobre existencias y piezas difíciles de encontrar. Los compradores pueden consultar la página «Acerca de» y enviar una solicitud a través de la Página web de DuoLink. Aún es necesario verificar la disponibilidad, la autenticidad, la documentación y la idoneidad de la pieza y la aplicación concretas.

Cómo seleccionar y adquirir componentes semiconductores

Empieza por la lista completa de piezas necesarias

Indique el fabricante, el número de referencia completo, la cantidad, el embalaje, la aplicación prevista, el código de fecha requerido, las alternativas aceptables y los requisitos de documentación. Las especificaciones clave pueden incluir:

• Tensión, corriente, potencia, frecuencia, ganancia o parámetros ópticos.
• Carcasa, configuración de pines, método de montaje e interfaz térmica.
• Temperatura de funcionamiento, grado de homologación y límites ambientales.
• Estado del ciclo de vida, revisión, código de fecha, código de lote y formato de envase.
• RoHS, REACH, requisitos específicos del cliente, del sector de la automoción, médico, aeroespacial u otros requisitos de cumplimiento normativo.

No apruebes un producto alternativo basándote únicamente en una coincidencia paramétrica aproximada. La forma, el ajuste y la función también pueden depender del comportamiento transitorio, el firmware, la impedancia térmica, las pérdidas de conmutación, la respuesta óptica o el historial de homologación.

Comprueba el fabricante, el número de referencia, el código de fecha, la autenticidad y el ciclo de vida

Compara la pieza ofrecida con la ficha técnica actual del fabricante y la información sobre el estado del producto. Revisa el sufijo completo, el esquema del envase, la convención de marcado y cualquier información sobre PCN o PDN. Pregunta si el stock ofrecido está precintado de fábrica, reenvasado, procede de un lote mixto, está en poder del proveedor o ya se ha asignado a otro pedido.

Antes del envío, solicita fotografías recientes de las bobinas, bandejas, etiquetas, códigos de fecha, códigos de lote y embalaje cuando el riesgo o el valor lo justifiquen. En el momento de la recepción, compara las etiquetas y las marcas de la parte superior, inspecciona los cables o las bolas, comprueba si hay oxidación o retoques en la superficie y pon en cuarentena los artículos que no coincidan. La inspección visual puede identificar señales de alerta, pero por sí sola no garantiza la autenticidad. Las aplicaciones de mayor riesgo pueden requerir pruebas eléctricas, rayos X, espectrometría de fluorescencia de rayos X (XRF), descapsulación u otro plan de inspección definido y aprobado por los departamentos de calidad e ingeniería.

Cuándo recurrir al abastecimiento de la lista de materiales (BOM)

El abastecimiento de la lista de materiales (BOM) resulta útil cuando un proyecto incluye numerosas familias de semiconductores, varias líneas están obsoletas o asignadas, o cuando el comprador necesita un único proceso para la revisión de referencias, la consulta de existencias, la solicitud de presupuestos y la recopilación de documentación. También puede ayudar a diferenciar las piezas activas de bajo riesgo de aquellas que son de proveedor único, están en situación de escasez, han llegado al final de su vida útil o son difíciles de encontrar.

DuoLink’s Apoyo a la adquisición de la lista de materiales (BOM) puede tenerse en cuenta para ese flujo de trabajo. Envía la lista de materiales (BOM) con las preferencias del fabricante, las cantidades, las fechas previstas, las alternativas aprobadas, los límites de código de fecha y la documentación necesaria. El comprador deberá definir los criterios de aceptación y obtener la aprobación del departamento de ingeniería para cualquier sustitución.

Conclusión

Los semiconductores son materiales electrónicos controlables que se utilizan para fabricar diodos, transistores, dispositivos optoelectrónicos, sensores, etapas de potencia y circuitos integrados. El silicio sigue siendo la plataforma más extendida, mientras que el GaAs, el InP, el SiC y el GaN se emplean en diseños con requisitos específicos en cuanto a frecuencia, propiedades ópticas, tensión, temperatura o eficiencia.

En el caso de una compra en el extranjero, la pregunta clave no es solo “¿Qué tipo de semiconductor es este?”, sino también “¿Qué pieza concreta cumple los requisitos de diseño, documentación, ciclo de vida y calidad?”. Antes de realizar el pedido, comprueba el número de referencia completo, las especificaciones, el embalaje, la documentación de origen, los requisitos relativos al lote y al código de fecha, así como las homologaciones alternativas.

DuoLink Electronics es un proveedor independiente de componentes electrónicos que ofrece servicios relacionados con circuitos integrados, semiconductores, componentes pasivos, conectores, abastecimiento de listas de materiales (BOM), búsqueda de referencias de piezas, consulta de existencias y abastecimiento de componentes difíciles de encontrar. Los compradores pueden indicar el fabricante, el número de referencia, la cantidad, la aplicación, los requisitos de código de fecha y la documentación necesaria para que se realice un análisis específico de abastecimiento.

Preguntas frecuentes

¿Sigue siendo el silicio el principal material semiconductor?

Sí. El silicio sigue siendo muy utilizado en circuitos integrados lógicos, de memoria y analógicos, así como en sensores y en numerosos dispositivos de potencia. El GaN, el SiC, el GaAs y el InP se eligen cuando sus propiedades se adaptan mejor a un requisito concreto de potencia, frecuencia, óptico, térmico o de aplicación.

¿Son el GaN y el SiC sustitutos directos de los dispositivos de silicio?

Normalmente no. El componente de sustitución debe someterse a comprobaciones relativas a los valores nominales de tensión y corriente, el comportamiento de conmutación, el control de la puerta, el diseño térmico, el encapsulado, la protección, la disposición, la fiabilidad y la homologación del sistema. Se requiere la aprobación de ingeniería antes de modificar un diseño homologado.

¿Qué información debo enviar a la hora de adquirir un semiconductor?

Indique al fabricante el número de referencia completo y el sufijo, el embalaje, la cantidad, la aplicación, la fecha de entrega prevista, las alternativas aceptables, los límites del código de fecha y los documentos de conformidad o trazabilidad necesarios. Una lista completa de materiales (BOM) resulta útil cuando es necesario revisar varias familias de componentes a la vez.

¿Puede una inspección visual demostrar que un semiconductor es auténtico?

No. Las marcas, las etiquetas, el embalaje y el estado del plomo pueden revelar indicios de alerta, pero se trata de pruebas preliminares. El alcance de la inspección debe ajustarse al riesgo que presente el componente y puede incluir la revisión de la documentación, pruebas eléctricas, rayos X, espectrometría de fluorescencia de rayos X (XRF) u otros métodos homologados.

¿Puede DuoLink suministrar componentes semiconductores obsoletos o difíciles de encontrar?

DuoLink se presenta como un proveedor independiente que ofrece servicios de búsqueda de componentes difíciles de encontrar, consultas sobre existencias y asistencia con las listas de materiales (BOM). Antes de la compra, es necesario confirmar la disponibilidad, la procedencia, la autenticidad y la documentación de cada pieza solicitada.