¿Qué es un semiconductor?

Las sustancias que conducen la electricidad se conocen como conductoras, mientras que las que no lo hacen se conocen como aislantes. Los semiconductores tienen propiedades únicas que se aplican a ambos, lo que significa que, en determinadas condiciones, pueden conducir la electricidad y, en otras, pueden resistirla. Esta clasificación única hace que los semiconductores sean ideales para tecnologías como chips de computadora, chips de inteligencia artificial (IA) y dispositivos de Internet de las cosas (IoT) que dependen de conducir una gran cantidad de energía a través de un área pequeña. 

En la mayoría de las tecnologías modernas, los semiconductores actúan como pequeños interruptores eléctricos, apagándose y encendiéndose repetidamente para permitir el flujo de electricidad. La conductancia de un semiconductor (la facilidad o dificultad con la que fluye una corriente eléctrica a través de él) varía según la corriente y el voltaje.

Los semiconductores se utilizan ampliamente en muchas industrias, incluidas las computadoras personales (PC), la electrónica doméstica, la automotriz, la fabricación industrial y más. Según un informe reciente de la Semiconductor Industry Association (SIA), las ventas de semiconductores aumentaron de 139 000 millones en dólares en 2001 a 526 000 millones de dólares en 2023. Este crecimiento representa una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 6 %.¹

La rápida tasa de innovación de la industria de los semiconductores se puede atribuir en gran medida a la ley de Moore, la regla de que la velocidad y la capacidad de las computadoras se duplican cada dos años. En la industria de los semiconductores, la ley de Moore se aplica a la cantidad de transistores que debe contener un microchip para mantenerse al día con las crecientes demandas de los dispositivos informáticos. Los principales fabricantes buscan continuamente formas de duplicar el número de transistores cada dos años, lo que garantiza avances en la tecnología de semiconductores.

La mayoría de los semiconductores están hechos de cristales debido a sus propiedades atómicas únicas. Mientras que los elementos conductores más comunes tienen un solo electrón en su capa más externa, los semiconductores tienen cuatro. Este y otros factores hacen que los cristales semiconductores (normalmente, silicio) sean perfectos para controlar las corrientes eléctricas que sustentan dispositivos tecnológicos complejos y modernos.

Para controlar el flujo de electricidad a través de circuitos y dispositivos electrónicos, los ingenieros manipulan el flujo de electrones a través de semiconductores creando regiones con cargas positivas y negativas, un proceso conocido como dopaje.

En la producción de semiconductores, el dopaje es un proceso en el que las impurezas, también conocidas como átomos de impurezas, se introducen intencionalmente en la red cristalina de un semiconductor para modificar sus propiedades eléctricas. Al introducir átomos dopantes, los ingenieros pueden hacer que el material sea más o menos conductor. Hay dos tipos de dopaje: tipo N y tipo P.

• Dopaje de tipo N: el dopaje de tipo N es donde los ingenieros agregan elementos con más electrones de valencia que el material huésped. Este cambio aumenta el número de portadores de carga libres en el átomo, lo que hace que el material semiconductor sea más conductor de lo que era anteriormente.

• Dopaje de tipo P: el dopaje de tipo P también hace que el material sea más conductivo, pero utilizando un método ligeramente diferente. En el dopaje de tipo P, se agregan elementos con menos electrones de valencia que el material huésped, creando lo que se conoce en informática como "agujero": un lugar al que le faltan electrones que normalmente transportan cargas y aumentan la conductividad.

Los semiconductores suelen clasificarse en dos tipos principales: intrínsecos y extrínsecos. Este es un análisis más detallado de sus diferencias.

• Semiconductores intrínsecos: los semiconductores intrínsecos son semiconductores que están hechos de un material único y puro que no ha sido manipulado de ninguna manera. Los semiconductores intrínsecos a menudo se denominan semiconductores "elementales", ya que muchos de ellos son elementos bien conocidos en la tabla periódica, como el carbono, el boro, el silicio y el germanio.

• Semiconductores extrínsecos: los semiconductores extrínsecos son semiconductores que han sufrido dopaje, contaminación intencional para alterar la conductividad de un material. Los semiconductores de radiofrecuencia (RF), por ejemplo, se consideran extrínsecos porque combinan materiales como arseniuro de galio (GaAs), nitruro de galio (GaN) y silicio (Si) que hacen que los semiconductores funcionen a frecuencias de radio más altas.

Los dispositivos semiconductores son componentes electrónicos que utilizan conductores y aislantes para controlar el flujo de corrientes eléctricas. El tipo más popular de dispositivo semiconductor es el transistor ampliamente utilizado, un componente pequeño y duradero que alimenta la mayoría de los dispositivos electrónicos modernos.

Hasta que se inventaron los transistores en 1947, los tubos de vacío se usaban ampliamente para el mismo propósito. Los transistores demostraron ser más compactos y eficientes que los tubos de vacío y los reemplazaron rápidamente. Hoy en día, los transistores se emplean en una amplia gama de dispositivos, incluidos chips de computadora , microprocesadores, automóviles, dispositivos robóticos y más. Los transistores son muy flexibles; además de actuar como conductores y aislantes, también pueden actuar como interruptores, amplificadores y rectificadores.

• Interruptores: componentes de dispositivos semiconductores que se encienden o apagan para controlar el flujo de una corriente eléctrica.

• Amplificadores: circuitos que aumentan la magnitud de una señal de entrada en un dispositivo electrónico.

• Rectificadores: los rectificadores, o diodos rectificadores, son pequeños dispositivos semiconductores que convierten las corrientes eléctricas de corriente alterna (CA) a corriente continua (CC) al permitir que la electricidad fluya en una dirección.

Los semiconductores se fabrican en fundidoras, que son empresas altamente especializadas que se centran exclusivamente en la fabricación de semiconductores, dejando el diseño y la distribución a otros. Debido a una serie de factores, la mayoría de las fundidoras del mundo se encuentran en Taiwán.

Hoy en día, el 60 % de los chips semiconductores del mundo y más del 90 % de los chips avanzados se fabrican en la isla relativamente pequeña de Taiwán.² La fuerza laboral altamente calificada de Taiwán, la invención del modelo de fundidora para fabricar semiconductores y otros factores han llevado a su dominio casi total del mercado de semiconductores.

Quizás la fundidora más conocida del mundo sea Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), fundada en 1987, que produce los chips más avanzados del mundo para clientes como Apple y NVIDIA. 

Hoy en día, el dominio de TSMC en el mercado de semiconductores lo ha convertido en una parte crucial de la cadena de suministro global de semiconductores. Como resultado, Taiwán se ha convertido en un punto focal geopolítico en las estrategias de política exterior de las principales naciones como China y Estados Unidos.

Los semiconductores se fabrican a través de un riguroso proceso conocido como fabricación de obleas, que comienza con el corte del material semiconductor en un segmento delgado. Las obleas de silicio son las más comunes, pero también están hechas de arseniuro de galio, carburo de silicio, germanio y otros elementos.

Una vez creada la oblea, se pule y se muele a través de una serie de máquinas diferentes y altamente especializadas, y se instala un circuito integrado (IC) en su superficie a través de cuatro pasos muy complicados.

• Paso 1. Oxidación: antes de poder instalar un IC, una oblea debe limpiarse previamente con agua desionizada de alta pureza. Algunos tipos de obleas, especialmente las obleas de silicio, se calientan durante este paso y se exponen a oxígeno puro, un método conocido como oxidación térmica.

• Paso 2. Enmascaramiento: durante la parte de enmascaramiento de la fabricación de semiconductores, se utilizan fotomáscaras (plantillas de alta precisión) para crear patrones en las obleas, una tarea conocida como fotolitografía. Cada máscara es crítica para definir los circuitos del semiconductor y la eficacia con la que funciona como un IC.

• Paso 3. Grabado: en la parte de grabado del proceso de fabricación, se elimina material innecesario de la oblea para darle un patrón o forma intencional. Al igual que el enmascaramiento, el grabado es importante para el establecimiento de circuitos integrados y otros tipos de dispositivos con un propósito específico que debe unirse a la superficie de la oblea.

• Paso 4. Dopaje: finalmente, los materiales semiconductores extrínsecos se crean agregando impurezas a su estructura cristalina para cambiar sus propiedades eléctricas. Los compuestos utilizados durante este paso incluyen arseniuro de galio, antimoniuro de indio y muchos tipos de óxidos.

En los últimos 75 años, los semiconductores se han convertido en la base de muchas tecnologías modernas. Desde la era temprana de la informática hasta la difusión de Internet, las redes sociales, la tecnología móvil y la IA, han desempeñado un papel crítico en permitir que los dispositivos electrónicos funcionen. Estos son algunos de los beneficios más importantes de los semiconductores.

Los semiconductores permiten el uso de la mayoría de los dispositivos electrónicos modernos y, por lo tanto, tienen casos de uso que abarcan muchas industrias. Estos son algunos de los más comunes.

Los semiconductores y los dispositivos semiconductores, como los circuitos integrados (IC), los sensores y los chips semiconductores, se utilizan ampliamente en muchos dispositivos electrónicos de consumo diferentes. Desde teléfonos inteligentes y computadoras portátiles hasta electrodomésticos inteligentes, asistentes virtuales, televisores y más, los semiconductores sustentan los dispositivos tecnológicos de los que la mayoría de los consumidores dependen tanto en su vida privada como profesional.

Los automóviles actuales utilizan muchas características que la gente espera de sus teléfonos inteligentes y PC, como el reconocimiento de voz, la conectividad inalámbrica y la capacidad de transmitir diferentes tipos de medios. Los chips semiconductores sustentan las tecnologías que utilizan los automóviles para permitir estas características, lo que permite a los pasajeros acceder a Internet, recibir mensajes de voz y mensajes de texto leídos en voz alta, recibir instrucciones y más.

Los semiconductores y los chips semiconductores se han vuelto cruciales en el campo médico, esenciales para el funcionamiento de una amplia gama de dispositivos y aplicaciones médicas. Los semiconductores alimentan dispositivos que permiten imágenes médicas, diagnósticos, monitoreo de pacientes y más, lo que permite que los datos críticos que ayudan a mejorar los tratamientos y los resultados de los pacientes se transmitan en casi en tiempo real.

La fabricación inteligente, también conocida como Industria 4.0, es la integración de nuevas tecnologías digitales como el Internet de las cosas (IoT), la IA y la computación en la nube en los procesos de fabricación. En la fabricación inteligente, los semiconductores y los chips de semiconductores alimentan sensores avanzados, software integrado y robótica que recopilan y analizan datos en un entorno de fábrica, lo que ayuda a optimizar procesos obsoletos e ineficientes.