miniatura|O cristal de silicio é o material semicondutor máis usado na microelectrónica. Un semicondutor é un material con condutividade eléctrica de magnitude intermedia entre a dun condutor e a dun illante, isto é, aproximadamente entre 103 e 10−8 siemens por centímetro. Os materiais semicondutores son a base da electrónica moderna, sendo empregados en transistores, células solares, moitas clases de díodos (incluíndo o díodo emisor de luz (LED), o rectificador controlado de silicio e o fotodíodo) e circuítos integrados dixitais e analóxicos. Os paneis solares fotovoltaicos semicondutores converten directamente a enerxía lumínica en electricidade. Nun condutor metálico a corrente é transportada polo fluxo de electróns.
Os materiais semicondutores máis comúns son chips sólidos cristalinos, pero tamén se coñecen semicondutores líquidos ou amorfos entre os que se inclúen o silicio amorfo hidroxenado ou mesturas de arsénico, selenio e telurio en diversas proporcións. Tales compostos comparten cos semicondutores máis coñecidos a condutividade intermedia e unha rápida variación da condutividade en función da temperatura, así coma a resistencia negativa ocasional. Tales materiais desordenados carecen da estrutura cristalina dos semicondutores convencionais tales coma o silicio e adoitan empregarse en estruturas de finas películas, que son menos esixentes no concernente ás cualidades electrónicas dos materiais e, polo tanto, relativamente insensibles ás impurezas e ao dano provocado pola radiación. Tamén se coñecen semicondutores orgánicos, ou sexa, materiais orgánicos con propiedades que remedan as dos semicondutores convencionais.
O silicio é o material máis empregado para a fabricación comercial de semicondutores. Empréganse moitos outros materiais coma o xermanio, o arseniuro de galio e o carburo de silicio. A un semicondutor puro chámaselle frecuentemente semicondutor “intrínseco”. As propiedades electrónicas e a condutividade dun semicondutor pódense modificar controladamente engadindo cantidades moi pequenas doutros elementos, chamados “dopantes”, ao material intrínseco. No silicio cristalino, isto adóitase acadar engadindo impurezas de boro ou fósforo ao fundido e deixándoo solidificar no cristal. Este proceso é coñecido coma "dopado" e o semicondutor resultante denomínase "extrínseco". Historia miniatura|O silicio é con moita diferenza o material máis utilizado na industria dos semicondutores. Na imaxe móstrase un fragmento de silicio policristalino utilizado para producir silicio monocristalino utilizable para facer dispositivos electrónicos. miniatura|Silicio monocristalino obtido a través do proceso Czochralski, de aquí sairán as obleas ou rebandas que servirán para crear os circuítos integrados electrónicos. miniatura|Estrutura de bandas dun semicondutor de tipo N. Os círculos negros representan os electróns na banda de condución (laranxa), mentres que os brancos serían os buracos na banda de valencia (azul). A imaxe mostra que os electróns son os portadores de carga maioritarios. miniatura|Estrutura de bandas dun semicondutor de tipo P. Os círculos negros representan os electróns na banda de condución (laranxa), mentres que os brancos serían os buracos na banda de valencia (azul). A imaxe mostra que os buracos son os portadores de carga maioritarios. O 1727 Stephen Gray descubriu a diferenza entre condutores e illantes. Despois, en 1821, Georg Simon Ohm publica as leis que traen o seu nome e que relacionan a proporcionalidade entre a corrente e a voltaxe nun condutor e coas que é posible determinar a condutividade eléctrica de calquera obxecto.
En 1874, o Premio Nobel Karl Ferdinand Braun observou que a certos cristais semicondutores a resistencia variaba coa dirección, a intensidade e a duración da corrente aplicada. Describiu por primeira vez que a resistencia podía ser variable. Braun patentou o rectificador de cristal en 1899. Este descubrimento permitiría máis tarde, a finais do século XIX, a aparición do primeiro receptor de radio, e do primeiro díodo semicondutor a principios do século XX. Os primeiros materiais semicondutores estudados foron sulfuros metálicos como o de ferro e chumbo.
O 20 de novembro de 1906 Greenleaf Whittier Pickard obtivo a primeira patente por un díodo de puntaJed Margolin: The Road to the Transistor. 2004 (Patente dos Estados Unidos 836.531), un fotorreceptor de cristal de silicio que demodulaba o sinal portador nun receptor de cristal semicondutor. Nun primeiro momento utilizouse a galena como material semicondutor pero en 1920 apareceron díodos máis potentes e robustos en base de sulfuro de cobre.
O funcionamento dos dispositivos baseados en semicondutores pertencentes aos metais de transición non era entendido con claridade a pesar de que se utilizaron tecnicamente durante décadas. Walter Schottky foi o primeiro a propor unha teoría (1939) para describir o funcionamento do díodo que máis tarde recibiría o seu nome, o díodo Schottky.
A primeira patente sobre o principio do transistor chegou en 1925 da man de Julius Edgar Lilienfeld, un físico norteamericano de orixe austrohúngara , (patente dos Estados Unidos 1.745.175).Julius Edgar Lilienfeld:Method And Apparatus For Controlling Electric Currents. rexistro inicial o 22 de outubro de 1925 en Canadá. Lilienfeld describiu no seu traballo un compoñente electrónico que grosso modo é comparable aos actuais transistores de efecto campo, aínda así naquel non existía a tecnoloxía necesaria para a súa utilización práctica.Reinhold Paul:field effect transistors - Physical principles and properties .Verlag Berliner Union [ua], Stuttgart 1972, ISBN 3-408-53050-5
En 1947 nos Laboratorios Bell os científicos John Bardeen, William Bradford Shockley e Walter Houser Brattain crearon o primeiro prototipo funcional de transistor. Observaron que cando os contactos eléctricos son aplicados a un cristal de xermanio, a potencia de saída era máis grande que a de entrada. Tratábase dun transistor bipolar con contactos de punta (técnica que xa se aplicaba nos díodos) que se premían sobre a placa dun cristal de xermanio moi puro e de tipo N. Os tres recibiron o premio Nobel en 1956 pola súa contribución no campo dos semicondutores e o descubrimento do efecto transistor. Con eles nacía a microelectrónica.
A produción de silicio de alta pureza chegou en 1954 grazas ao físico alemán Eberhard Spenke e o seu equipo da compañía Siemens & Halske AG (hoxe Siemens AG) coa utilización da técnica de purificación denominada método da zona fundida (Zonenschmelzverfahren). Isto comportou que a mediados dos anos 1950 houbese dispoñibilidade dun material illante como o dióxido de silicio con propiedades adecuadas (non é soluble en auga como o xermanio, é fácil de producir etc.) como semicondutor para a industria electrónica e uns 30 anos máis tarde para a industria dos microsistemas elctromecánicos. Hoxe en día (2009) para a fabricación dos circuítos integrados utilízase case en exclusiva o chamado proceso Czochralski polo seu baixo custo.
En 1976 Alan Heeger, Alan MacDiarmid e Hideki Shirakawa observaron que unha dopaxe de poliacetileno (un polímero que se comporta como un illante en estado non dopado) con axentes oxidantes provocaba un cambio da súa resistividade ata valores de 10−5 Ω·m (a da prata é de ≈10−8 Ωm). No ano 2000 recibiron o Premio Nobel de Química polo descubrimento e desenvolvemento dos polímeros condutores (semicondutores orgánicos). Hideki Shirakawa, Edwin J. Louis, Alan G. MacDiarmid, Chwan K. Chiang, Alan J. Heeger; Synthesis of electrically conducting organic polymers: halogen derivatives of polyacetylene, (CH)x, Chemical Communications, Número 16. 1977. DOI:10.1039/C39770000578 C. K. Chiang, C. R. Fincher, Y. W. Park, A. J. Heeger, H. Shirakawa, E. J. Louis, S. C. Gau, A. G. MacDiarmid. Electrical Conductivity in Doped Polyacetylene Physical Review. Número 17. 1977. DOI:10.1103/PhysRevLett.39.1098
Física fundamental dos semicondutores Dentro da física do estado sólido, os semicondutores (como os illantes) defínense como sólidos que a 0 K, e sen outra excitación, a súa banda enerxética superior dos estados de enerxía dos electróns está completamente chea. A condución eléctrica nos sólidos só se dá por medio de electróns en capas electrónicas incompletas, así pois un semicondutor só pode conducir cando os electróns foron excitados (termicamente, opticamente, ...) a capas incompletas.
A temperatura ambiente, unha parte (moi pequena, pero non desprezable) dos electróns nun semicondutor foron termicamente excitados desde a banda de valencia (completa a 0 K) ata a capa de condución (a banda xustamente superior). A facilidade coa que os electróns poden ser excitados desde a capa de valencia á de condución depende da enerxía que as separa, e é esta cantidade de enerxía o que serve como criterio de división entre semicondutores e illantes. Os semicondutores adoitan necesitar 1 eV de enerxía, aproximadamente, e os illantes adoitan necesitar unha cantidade varias veces superior.
Cando os electróns son excitados desde a banda de valencia á de condución nun semicondutor, ambas as bandas contribúen á condución, porque as dúas quedan incompletas. Os electróns que constitúen a corrente eléctrica denomínanse "electróns libres", pero son coñecidos simplemente como "electróns" se o contexto o permite. Os estados de enerxía libres que quedan na capa de valencia coñécense como "buracos". Pódese demostrar que os buracos se comportan case como cargas positivas opostas aos electróns, e trátanse a miúdo coma se realmente tiveran existencia física.
Dopaxe dos semicondutores Unha das principais razóns pola cal os semicondutores son útiles en electrónica é que as súas propiedades electrónicas pódense controlar engadíndolles impurezas. Estas denomínanse dopantes, e engaden electróns ou buracos adicionais. Un semicondutor con electróns de máis chámase de tipo N, mentres que o que ten buracos adicionais é denominado de tipo P.
Os dopantes máis comúns do tipo*N para o silicio son o fósforo e o arsénico. Estes dous elementos pertencen ao grupo V da táboa periódica, mentres que o silicio é do grupo IV. Cando o silicio se dopa con átomos de arsénico ou fósforo, estes substitúen aos átomos de silicio no cristal semicondutor, pero como teñen un electrón de máis, este ten tendencia a ocupar a banda de condución. Doutra banda, o dopante de tipo P máis utilizado é o boro, do grupo III, ao que lle falta un electrón na banda de valencia, e por iso contribúe con buracos adicionais.
Dopar intensamente un semicondutor pode incrementar a súa condutividade por un factor maior de mil millóns. Actualmente nos semicondutores utilízase o silicio policristalino, unha forma moi dopada de silicio, como condutor substituto dos metais.
Semicondutores intrínsecos Un semicondutor intrínseco é aquel bastante puro porque as impurezas non afecte apreciablemente ao seu comportamento eléctrico. Neste caso os portadores de carga créanse excitando os electróns da banda de valencia opticamente ou termicamente. Así pois, hai o mesmo número de electróns e buracos nos semicondutores intrínsecos. Os electróns e os buracos trasládanse en direccións opostas en presenza dun campo eléctrico, pero contribúen ao fluxo de carga na mesma dirección, posto que presentan cargas opostas. A corrente producida polos electróns e os buracos non ten que ser necesariamente igual nun semicondutor intrínseco, posto que teñen unha masa efectiva diferente.
A concentración de portadores depende altamente da temperatura. A baixa temperatura a banda de valencia está completamente chea, e o semicondutor compórtase como un illante. Se aumentamos a temperatura, tamén aumenta o número de portadores e por tanto a condutividade. Este principio utilízase nos termistores do tipo NTC, resistencias que a maior temperatura presentan menor resistencia. Este comportamento é contrario á maioría de materiais, que adoitan ser menos condutivos a maior temperatura.