Cuando pasa a través de un conductor (como el cobre por ejemplo) la electricidad enfrenta poca resistencia, creando una corriente descontrolada y de flujo libre. Si hablamos de un aislante (como por ejemplo el vidrio), la corriente eléctrica no puede viajar debido a los altos niveles de resistencia.

Las sustancias conocidas como semiconductores se encuentran en algún lugar entre ambos, lo que permite cierto grado de control sobre el flujo de electricidad al proporcionar un material ligeramente resistente.

La resistencia al paso de la electricidad de los semiconductores disminuye a medida que aumenta su temperatura, lo cual es un comportamiento opuesto al de un metal. Sus propiedades conductoras pueden alterarse de manera útil mediante la introducción deliberada y controlada de impurezas ("dopaje") en la estructura cristalina. Cuando existen dos regiones dopadas de manera diferente en el mismo cristal, se crea una unión semiconductora.

El comportamiento de los portadores de carga que incluyen electrones, iones y "huecos" de electrones en estas uniones es la base de los diodos, transistores y toda la electrónica moderna.

Algunos ejemplos de semiconductores son el silicio, el germanio, el arseniuro de galio y los elementos cercanos a la llamada "escalera metaloide" en la tabla periódica. Después del silicio, El arseniuro de galio es posiblemente el segundo semiconductor más común y se utiliza en diodos láser, células solares, circuitos integrados de frecuencia de microondas y otros. El silicio es un elemento crítico para la fabricación de la mayoría de los circuitos electrónicos.

Los chips de silicio son el estándar de la industria, pero el silicio suele ser tender a aislante. Esto se debe a que el silicio puro está formado a partir de átomos que contienen 4 electrones en el orbital más alejado del núcleo del átomo.

Esta estructura atómica hace que los átomos de silicio se unan con poderosos enlaces covalentes y formen una red cristalina. Por sí solas, las redes de silicio no conducen la electricidad, ya que los electrones se mantienen fuertemente en su lugar. Para crear semiconductores, se deben sumar o restar electrones de la red de silicio mediante el dopaje.

Durante el dopaje, los materiales con 3 ó 5 electrones se mezclan con silicio para romper los fuertes enlaces covalentes del cristal. El dopaje de "tipo n" utiliza materiales con un orbital externo de 5 electrones, como el fósforo o el arsénico. Esto agrega un quinto electrón libre a la red. El electrón adicional que fluye libremente permite que el material conduzca la electricidad.

El dopaje de "tipo p" utiliza materiales con 3 electrones en su anillo exterior, como el boro o el galio. La adición de un átomo que contiene 3 electrones en su orbital exterior deja la ausencia de un electrón, o "agujero", a través del cual pueden viajar los electrones que fluyen libremente.

Los dispositivos semiconductores pueden mostrar una gran una variedad de propiedades útiles, como pasar la corriente más fácilmente en una dirección que en la otra, mostrar resistencia variable y sensibilidad a la luz o al calor. Debido a que las propiedades eléctricas de un material semiconductor pueden modificarse mediante dopaje o mediante la aplicación de campos eléctricos o luz, los dispositivos hechos de semiconductores pueden usarse para amplificación, conmutación y conversión de energía.

Como he dicho, la conductividad del silicio se aumenta añadiendo una pequeña cantidad de átomos pentavalentes (como el antimonio, el fósforo o el arsénico) o trivalentes (el boro, el galio o el indio). Este proceso se conoce como "dopaje" y los semiconductores resultantes se conocen como semiconductores dopados o extrínsecos. Además del dopaje, la conductividad de un semiconductor también puede mejorarse aumentando su temperatura. Básicamente es lo contrario a lo que ocurre con el comportamiento de un metal, en el que la conductividad disminuye con el aumento de la temperatura.

La comprensión moderna de las propiedades de un semiconductor se basa en la física cuántica para explicar el movimiento de los portadores de carga en una red cristalina. El dopaje aumenta considerablemente el número de portadores de carga dentro de la estructura.

Cuando un semiconductor dopado contiene principalmente "huecos" libres, se denomina "tipo p", y cuando contiene principalmente electrones libres, se denomina "tipo n". Los materiales semiconductores utilizados en los dispositivos electrónicos se dopan en condiciones precisas para controlar la concentración y las regiones de los dopantes de tipo p y n. Un solo cristal semiconductor puede tener muchas regiones de tipo p y n; las uniones p-n entre estas regiones son responsables del comportamiento electrónico útil.

Algunas de las propiedades de los materiales semiconductores se observaron ya a mediados del siglo XIX y las primeras décadas del siglo XX. La primera aplicación práctica de los semiconductores en la electrónica fue el desarrollo en 1904 del detector de bigotes de gato, un diodo semiconductor primitivo utilizado en los primeros receptores de radio. A su vez, los avances en la física cuántica permitieron el desarrollo del transistor en 1947, el circuito integrado en 1958 y el MOSFET (transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor) en 1959.

Una de las funciones más demandadas en la actual generación de smartphones es el reconocimiento facial, que engloba el campo de la fotónica de semiconductores. La fotónica en su conjunto proporciona un terreno muy propicio para el crecimiento de los semiconductores debido a la creciente importancia de la banda ancha de fibra óptica, las cámaras complejas y los sistemas de comunicación basados ​​en la luz.

A largo plazo, los vehículos autónomos, la inteligencia artificial y el Internet de las cosas son mercados potenciales enormes para los chips semiconductores, aunque estas industrias aún tienen que madurar por completo...