Los semiconductores de banda prohibida ancha (también conocidos como semiconductores WBG o WBGS ) son materiales semiconductores que tienen una banda prohibida mayor que los semiconductores convencionales. Los semiconductores convencionales como el silicio tienen una banda prohibida en el rango de 0,6 a 1,5 electronvoltios (eV), mientras que los materiales de banda prohibida ancha tienen bandas prohibidas en el rango superior a 2 eV. [1] [2] Generalmente, los semiconductores de banda prohibida ancha tienen propiedades electrónicas que se encuentran entre las de los semiconductores y aislantes convencionales .
Los semiconductores de banda ancha permiten que los dispositivos funcionen a voltajes, frecuencias y temperaturas mucho más altas que los materiales semiconductores convencionales como el silicio y el arseniuro de galio . Son el componente clave que se utiliza para fabricar láseres o LED de longitud de onda corta (UV verde) , y también se utilizan en determinadas aplicaciones de radiofrecuencia , en particular radares militares . Sus cualidades intrínsecas los hacen adecuados para una amplia gama de otras aplicaciones y son uno de los principales competidores para dispositivos de próxima generación para uso general de semiconductores.
La banda prohibida más amplia es particularmente importante para permitir que los dispositivos que la utilizan funcionen a temperaturas mucho más altas, del orden de 300 °C. Esto los hace muy atractivos para aplicaciones militares, donde se han utilizado bastante. La tolerancia a altas temperaturas también significa que estos dispositivos pueden funcionar a niveles de potencia mucho más altos en condiciones normales. Además, la mayoría de los materiales de banda prohibida ancha también tienen una densidad de campo eléctrico crítico mucho mayor, del orden de diez veces mayor que la de los semiconductores convencionales. Combinadas, estas propiedades les permiten operar a voltajes y corrientes mucho más altas, lo que las hace muy valiosas en aplicaciones militares, de radio y de conversión de energía . El Departamento de Energía de EE. UU. cree que serán una tecnología fundamental en nuevas redes eléctricas y dispositivos de energía alternativa , así como en componentes de energía robustos y eficientes utilizados en vehículos de alta potencia, desde vehículos eléctricos enchufables hasta trenes eléctricos . [3] La mayoría de los materiales de banda prohibida amplia también tienen altas velocidades de electrones libres, lo que les permite trabajar a velocidades de conmutación más altas, lo que aumenta su valor en aplicaciones de radio. Se puede utilizar un solo dispositivo WBG para crear un sistema de radio completo, eliminando la necesidad de componentes separados de señal y radiofrecuencia, mientras se opera a frecuencias y niveles de potencia más altos.
La investigación y el desarrollo de materiales de banda prohibida van a la zaga de los semiconductores convencionales, que han recibido inversiones masivas desde la década de 1970. Sin embargo, sus claras ventajas inherentes en muchas aplicaciones, combinadas con algunas propiedades únicas que no se encuentran en los semiconductores convencionales, han llevado a un creciente interés en su uso en dispositivos electrónicos cotidianos en lugar del silicio. Su capacidad para manejar una mayor densidad de potencia es particularmente atractiva para los intentos de sostener la ley de Moore : la tasa constante observada de aumento en la densidad de los transistores en un circuito integrado, que, durante décadas, se ha duplicado aproximadamente cada dos años. Sin embargo, las tecnologías convencionales parecen estar alcanzando un nivel máximo de densidad de transistores. [4]
Los materiales de banda prohibida ancha tienen varias características que los hacen útiles en comparación con los materiales de banda prohibida más estrecha. La mayor brecha de energía brinda a los dispositivos la capacidad de operar a temperaturas más altas, [5] ya que las bandas prohibidas generalmente se reducen al aumentar la temperatura, lo que puede ser problemático cuando se utilizan semiconductores convencionales. Para algunas aplicaciones, los materiales de banda prohibida ancha permiten que los dispositivos conmuten voltajes más grandes. La amplia banda prohibida también lleva la energía de transición electrónica al rango de energía de la luz visible y, por lo tanto, se pueden fabricar dispositivos emisores de luz como diodos emisores de luz (LED) y láseres semiconductores que emiten en el espectro visible , o incluso producir Radiación ultravioleta.
La iluminación de estado sólido que utiliza semiconductores de banda prohibida ancha tiene el potencial de reducir la cantidad de energía necesaria para proporcionar iluminación en comparación con las luces incandescentes , que tienen una eficacia luminosa de menos de 20 lúmenes por vatio. La eficacia de los LED es del orden de 160 lúmenes por vatio.
Los semiconductores de banda ancha también se pueden utilizar en el procesamiento de señales de RF . Los transistores de potencia basados en silicio están alcanzando límites de frecuencia operativa, voltaje de ruptura y densidad de potencia . Los materiales de banda prohibida amplia se pueden utilizar en aplicaciones de conmutación de potencia y alta temperatura.
Los únicos materiales con banda prohibida alta en el grupo IV son el diamante y el carburo de silicio (SiC).
Hay muchos semiconductores compuestos III-V y II-VI con bandas prohibidas altas. En la familia de semiconductores III-V, el nitruro de aluminio (AlN) se utiliza para fabricar LED ultravioleta con longitudes de onda de hasta 200 a 250 nm , el nitruro de galio (GaN) se utiliza para fabricar LED azules y diodos láser , y el nitruro de boro (BN) es propuesto para LED azules.
La mecánica cuántica da lugar a una serie de niveles distintos de energía de electrones, o bandas , que varían de un material a otro. Cada banda puede contener una cierta cantidad de electrones; Si el átomo tiene más electrones, se ven obligados a pasar a bandas de mayor energía. En presencia de energía externa, algunos de los electrones ganarán energía y regresarán a las bandas de energía, antes de liberarla y volver a caer a una banda inferior. Con la aplicación constante de energía externa, como la energía térmica presente a temperatura ambiente , se alcanza un equilibrio donde la población de electrones que se mueven hacia arriba y hacia abajo en las bandas es igual.
Dependiendo de la distribución de las bandas de energía y de la "banda prohibida" entre ellas, los materiales tendrán propiedades eléctricas muy diferentes. Por ejemplo, a temperatura ambiente la mayoría de los metales tienen una serie de bandas parcialmente llenas que permiten agregar o eliminar electrones con poca energía aplicada. Cuando están muy juntos, los electrones pueden pasar fácilmente de un átomo a otro, lo que los convierte en excelentes conductores . En comparación, la mayoría de los materiales plásticos tienen niveles de energía muy espaciados que requieren una energía considerable para mover electrones entre sus átomos, lo que los convierte en aislantes naturales . Los semiconductores son aquellos materiales que tienen ambos tipos de bandas y, a temperaturas operativas normales, algunos electrones se encuentran en ambas bandas.
En los semiconductores, agregar una pequeña cantidad de energía empuja más electrones hacia la banda de conducción , haciéndolos más conductores y permitiendo que la corriente fluya como un conductor. Invertir la polaridad de esta energía aplicada empuja a los electrones hacia las bandas más separadas, convirtiéndolos en aislantes y deteniendo el flujo. Dado que la cantidad de energía necesaria para empujar los electrones entre estos dos niveles es muy pequeña, los semiconductores permiten la conmutación con muy poca entrada de energía. Sin embargo, este proceso de conmutación depende de que los electrones se distribuyan naturalmente entre los dos estados, por lo que pequeñas entradas hacen que las estadísticas de población cambien rápidamente. A medida que cambia la temperatura externa, debido a la distribución de Maxwell-Boltzmann , normalmente más y más electrones se encontrarán en un estado u otro, provocando que la acción de conmutación se produzca por sí sola o se detenga por completo.
El tamaño de los átomos y el número de protones en el átomo son los principales predictores de la fuerza y la disposición de las bandas prohibidas. Los materiales con átomos pequeños y enlaces atómicos fuertes están asociados con bandas prohibidas amplias. Con respecto a los compuestos III-V, los nitruros se asocian con las bandas prohibidas más grandes. Las bandas prohibidas se pueden diseñar mediante aleaciones , y la ley de Vegard establece que existe una relación lineal entre la constante de red y la composición de una solución sólida a temperatura constante. La posición de los mínimos versus máximos de la banda de conducción en la estructura de la banda determina si una banda prohibida es directa o indirecta , donde los materiales de banda prohibida directa absorben la luz con fuerza y las bandas prohibidas indirectas absorben con menos fuerza. Del mismo modo, el material de banda prohibida directa emite luz con fuerza, mientras que los semiconductores de banda prohibida indirecta son malos emisores de luz, a menos que se agreguen dopantes que se acoplen fuertemente a la luz.
La conexión entre la longitud de onda y la banda prohibida es que la energía de la banda prohibida es la energía mínima que se necesita para excitar un electrón en la banda de conducción . Para que un fotón sin ayuda provoque esta excitación, debe tener al menos esa cantidad de energía. En el proceso opuesto, cuando los pares electrón-hueco excitados sufren recombinación , se generan fotones con energías que corresponden a la magnitud de la banda prohibida.
La banda prohibida determina la longitud de onda a la que los LED emiten luz y la longitud de onda a la que los fotovoltaicos funcionan de manera más eficiente. Por lo tanto, los dispositivos de banda ancha son útiles en longitudes de onda más cortas que otros dispositivos semiconductores. La banda prohibida para GaAs de 1,4 eV, por ejemplo, corresponde a una longitud de onda de aproximadamente 890 nm, que es luz infrarroja (la longitud de onda equivalente para la energía luminosa se puede determinar dividiendo la constante 1240 nm-eV por la energía en eV, por lo que 1240 nm-eV/1,4 eV=886 nm). Dado que la mayor eficiencia se produciría a partir de una célula fotovoltaica con capas sintonizadas con las diferentes regiones del espectro solar, las células solares modernas de uniones múltiples tienen múltiples capas con diferentes bandas prohibidas, y los semiconductores de banda prohibida ancha son un componente clave para recolectar la parte de el espectro más allá del infrarrojo. [14]
El uso de LED en aplicaciones de iluminación depende particularmente del desarrollo de semiconductores de nitruro de banda ancha.
A menudo se atribuye a la ionización por impacto la causa de la avería. En el punto de ruptura, los electrones de un semiconductor se asocian con suficiente energía cinética para producir portadores cuando chocan con los átomos de la red.
Los semiconductores de banda ancha están asociados con un alto voltaje de ruptura. Esto se debe a que se requiere un campo eléctrico más grande para generar portadores a través del impacto.
En campos eléctricos elevados , la velocidad de deriva se satura debido a la dispersión de los fonones ópticos . Una mayor energía de fonones ópticos da como resultado menos fonones ópticos a una temperatura particular y, por lo tanto, hay menos centros de dispersión y los electrones en semiconductores de banda prohibida amplia pueden alcanzar velocidades máximas altas.
La velocidad de deriva alcanza un pico en un campo eléctrico intermedio y sufre una pequeña caída en campos más altos. La dispersión por intervalos es un mecanismo de dispersión adicional en campos eléctricos grandes y se debe a un desplazamiento de los portadores desde el valle más bajo de la banda de conducción hacia los valles superiores, donde la curvatura de la banda inferior aumenta la masa efectiva de los electrones y reduce la movilidad de los electrones. . La caída en la velocidad de deriva en campos eléctricos elevados debido a la dispersión a intervalos es pequeña en comparación con la alta velocidad de saturación que resulta de la baja dispersión de fonones ópticos. Por lo tanto, existe una velocidad de saturación global más alta.
El silicio y otros materiales comunes tienen una banda prohibida del orden de 1 a 1,5 electronvoltios (eV), lo que implica que dichos dispositivos semiconductores pueden controlarse mediante voltajes relativamente bajos. Sin embargo, también implica que se activan más fácilmente por la energía térmica, lo que interfiere con su correcto funcionamiento. Esto limita los dispositivos basados en silicio a temperaturas operativas inferiores a aproximadamente 100 °C, más allá de las cuales la activación térmica incontrolada de los dispositivos dificulta su funcionamiento correcto. Los materiales de banda prohibida ancha suelen tener bandas prohibidas del orden de 2 a 4 eV, lo que les permite operar a temperaturas mucho más altas, del orden de 300 °C. Esto los hace muy atractivos en aplicaciones militares, donde se han utilizado bastante.
Las temperaturas de fusión, los coeficientes de expansión térmica y la conductividad térmica pueden considerarse propiedades secundarias que son esenciales en el procesamiento, y estas propiedades están relacionadas con la unión en materiales de banda ancha. Los enlaces fuertes dan como resultado temperaturas de fusión más altas y coeficientes de expansión térmica más bajos. Una alta temperatura de Debye da como resultado una alta conductividad térmica. Con tales propiedades térmicas, el calor se elimina fácilmente.
El alto voltaje de ruptura de los semiconductores de banda ancha es una propiedad útil en aplicaciones de alta potencia que requieren grandes campos eléctricos.
Se han desarrollado dispositivos para aplicaciones de alta potencia y alta temperatura [5] . Tanto el nitruro de galio como el carburo de silicio son materiales robustos muy adecuados para este tipo de aplicaciones. Debido a su robustez y facilidad de fabricación, se espera que los semiconductores de carburo de silicio se utilicen ampliamente, creando cargas más simples y de mayor eficiencia para vehículos híbridos y totalmente eléctricos , reduciendo la pérdida de energía, construyendo convertidores de energía solar y eólica más duraderos y eliminando voluminosos transformadores de subestaciones de red. [15] También se utiliza nitruro de boro cúbico . [ cita necesaria ] La mayoría de ellos son para aplicaciones especializadas en programas espaciales y sistemas militares. No han comenzado a desplazar al silicio de su lugar de liderazgo en el mercado general de semiconductores de potencia.
Los LED blancos con características de mayor brillo y vida útil más larga han reemplazado a las bombillas incandescentes en muchas situaciones. La próxima generación de reproductores de DVD (los formatos Blu-ray y HD DVD ) utilizan láseres violetas basados en GaN .
Los grandes efectos piezoeléctricos permiten utilizar materiales de banda prohibida ancha como transductores .
El GaN de muy alta velocidad utiliza el fenómeno de altas densidades de carga de interfaz.
Debido a su coste, el nitruro de aluminio se utiliza hasta ahora principalmente en aplicaciones militares.