Nota sobre el desarrollo del concepto de semiconductores

En 1931, El afamado físico W. E Pauli afirmo: "Nadie debería investigar sobre semiconductores. Son una porquería. ¿Quien sabe si realmente existen los semiconductores?". Revisaremos la historia del concepto de los semiconductores para entender el contexto de estas palabras lapidantes.

Actualmente, ninguna de las tecnologías que han transformado el mundo sería concebible sin los semiconductores. Computadoras, teléfonos celulares y enorme número de productos están basados en la tecnología del semiconductor. Siendo tan importantes para nuestra sociedad, decenas de miles de investigadores en cientos de laboratorios investigan sobre las propiedades y aplicaciones de los semiconductores.

Entonces, ¿Por qué alguien tan inteligente como Pauli afirmó sus dudas sobre la existencia de los semiconductores? ¿Por qué él los consideraba una porquería y no valía la pena su investigación?

16 años antes de la realización práctica del primer transistor, la opinión de Pauli sobre los semiconductores era el reflejo de un estado de ánimo en la comunidad de físicos dedicados al estudio de los sólidos. Aun en 1938 muchos investigadores calificaban de suicidio científico la decisión de trabajar sobre el carburo de silicio. Entonces, en lugar de pensar en la falta visión de Pauli, debemos considerar que el desarrollo de la ciencia no es lineal. Revisemos el contexto del desarrollo de las ideas.

La investigación en metales


A finales del siglo XIX y principios del XX, fue notable el contraste entre los rápidos avances de la física de los metales y el desconcierto en la investigación sobre semiconductores.

Así, Sobre la naturaleza de la electricidad y las propiedades eléctricas de los metales, los resultados experimentales eran reproducibles y regulares, por lo que condujeron a rápidos y significativos avances:

* En 1840, Humphry Davy observó la dependencia inversa de la conductividad con la temperatura en un gran número de metales.

* Desde 1853 (Wiedemann y Franz) se conocía la relación entre las conductividades eléctrica y térmica de los metales.

* Ya en 1821 se contaba con resultados reproducibles sobre el poder termoeléctrico de los metales, es decir, se tenían datos sobre el efecto Seebeck.

* En 1879 se registraron observaciones del efecto Hall

* En 1897 Thomson descubre el electrón. Con toda esta gran masa de resultados experimentales, se presentaron casi inmediatamente los primeros modelos de trasporte eléctrico en los metales.

* En 1899 (Riecke) y en 1990 (Drude) se presentan modelos que interpretan y predicen todos estos resultados y orientan la investigación en el campo del trasporte eléctrico en metales. Pero las limitaciones de tales modelos constituyen un estimulo y dan lugar a nuevas experiencias científicas.

* En 1929, Sommerfeld presenta una teoría cuántica de los metales, la cual es inmediatamente reconocida y aceptada. Recordemos que al principio del siglo XX se dio un contexto revolucionario para la física, las ideas de Sommerfeld se basaron en los principios y formalismos de la mecánica cuántica.

Visto a posteriori, estos rápidos avances de la física de los metales se debe a dos razones principales:

* Por un lado, el milenario e importante rol tecnológico de los metales contribuyó a la obtención de muestras con un aceptable grado de pureza, los experimentos requerían esta clase de muestras puras.

* Por otro lado, basados en los datos experimentales, se contaba con teorías que funcionaban bien para los metales y eran pésimas para los semiconductores. El hecho de que la aproximación del electrón libre funcione tan bien para bandas anchas semillenas mantuvo durante años la ilusión de que los metales son más fáciles de entender que los semiconductores.

La investigación en semiconductores


En contraste con el gran número de leyes empíricas relativas a los metales, en lo que concierne a los semiconductores, no llegó a encontrarse por muchos años ninguna propiedad que mostrara un comportamiento reproducible y permitiese dar un contenido a la propia palabra "semiconductor".

* Como antecedente, en el siglo XVIII, Volta hablaba de materiales "de naturaleza semiconductora", la utilización del término fue puramente taxonómica durante casi siglo y medio, ya que se incluía en esa categoría a todos los materiales que no eran ni aislantes ni metales.

* Hittorf (1851) fue el primero en publicar resultados sobre la variación de la conductividad de los sulfuros de plata y cobre en función de la temperatura. La trasiscion de fase del sulfuro de plata a 170 ºC, hizo que los resultados pareciesen entonces más erráticos de lo que realmente eran (de hecho, si se traza el diagrama de Arrhenius a partir de la tabla de resultados de Hittorf para el Cu2S, se obtiene una recta, y la energía de activación resultante es próxima a la mitad de la banda prohibida de ese material). Hittorf creyó estar observando conducción electrolítica, y durante años muchos investigadores centraron sus esfuerzos en verificar si se cumplía la ley de Faraday. Se trataba de una vía muerta, pero, aunque las experiencias de Riecke en 1901 habían excluido concluyentemente esa hipótesis, se siguió barajando el modelo electrolítico para los semiconductores hasta bien entrados los años 30.

* En 1908 Königsberger propuso su teoría de la disociación, según la cual, los portadores de carga que se mueven libremente en un conductor resultan de la disociación de los átomos en electrones móviles e iones positivos fijos. La disociación era regulada por una energía de activación, que debe intervenir en la dependencia de la resistividad con la temperatura. Al intentar verificar su teoría, comparando los datos experimentales con sus predicciones, pudo establecer una clasificación de los sólidos en metales (en los que la energía de disociación era nula), aislantes (en los que era infinita) y "conductores variables" (en los que era finita).

* Weiss, en 1910, quien realizó numerosas experiencias para verificar ese modelo, fue el primer autor moderno en proponer el nombre de "semiconductor".

* Baedaker, en 1908, encontró un método de preparación de semiconductores en capas delgadas que le permitía cierto grado de control de las propiedades. La interpretación que hace de sus resultados ilustra el grado de desconcierto que existía y la falta de un concepto de semiconductor aceptado por todos los investigadores. Así, sus estudios sobre el ioduro de cobre le conducen a calificarlo de "conductor metálico con concentración de electrones variable". Al interpretar los resultados de efecto Hall, considera un sólo tipo de portadores, encontrando concentraciones sorprendentemente bajas. El modelo de Riecke para el efecto Hall, propuesto nueve años antes, que consideraba posible la existencia de portadores de carga positivos y negativos, le habría permitido interpretar correctamente sus resultados.

* En 1930 era aún aceptada de manera general la opinión de Gudden de que las propiedades semiconductoras son debidas a las impurezas y que ninguna sustancia pura puede ser semiconductora (la opinión de Gudden implicaba que toda sustancia pura sería, o bien aislante, o bien metálica).

* En esta etapa de desarrollo, Frenkel en 1931 muestra la teoría de los defectos puntuales en los cristales iónicos, que permitió sistematizar un gran número de resultados, al mostrar que las vacantes de anión dan lugar a conducción por electrones y las vacantes de catión a conducción por huecos. Este modelo permitía , por una parte, correlacionar claramente en muchas sustancias la concentración de defectos con la conductividad y, por otra, dar cuenta de la existencia de sólidos en los que el efecto Hall tiene signo positivo. Así, se realizaron gran cantidad de medidas sistemáticas en muchos semiconductores, que fueron clasificados como:

** "conductores por exceso" (con vacantes de anión),
** "conductores por defecto" (con vacantes de catión), y
** "conductores anfotéricos", que presentaban uno u otro comportamiento, según las condiciones de preparación.

Entretanto, estaban encontrándose las claves que permitirían establecer la teoría cuántica de los sólidos. Desde que von Laue (1912) descubrió la difracción de rayos X y Bragg (1913) determinó la estructura cristalina del ClNa, se sabía que los átomos en los sólidos se disponen siguiendo una estructura ordenada, triplemente periódica.

* Primero Strutt y luego Bloch, ambos en 1928, tratan el problema del electrón en el campo periódico. Bloch deduce las propiedades generales de los estados electrónicos, introduciendo las funciones de onda que llevan su nombre, pero no llega a ninguna conclusión sobre el origen del carácter metálico o aislante de un sólido.

* Por fin, Alan Wilson, en 1931, fue primer autor en extraer todas las consecuencias que la teoría de bandas implica para las propiedades del transporte, mostrando que una banda llena no contribuye al transporte de carga e introduciendo rigurosamente el concepto de banda prohibida , ademas introduce los conceptos de semiconductor intrínseco, semiconductor extrínseco (y por ende, impurezas dadoras y aceptoras). De nueva cuenta, el hecho de que se formularan rigurosamente los elementos básicos de una teoría, en este caso la teoría de semiconductores, no condujo a su aceptación inmediata por la comunidad científica.

* A mediados de los 40, los trabajos de Lark-Horovitz sobre el germanio y el silicio, permitió al concepto del semiconductor ser universalmente aceptado.
Conclusiónes

La frase de Pauli es el reflejo de una época donde la investigación sobre los semiconductores estaba dispersa y no tenía una meta ni propósito. No existía una sinergia para la investigación: falta de objetivo, teorías deficientes, datos experimentales mal interpretados.

Parece que antes de mediados de los años 40, faltaba una idea detonante que orientara la actividad investigadora, un concepto capaz de dar sentido a los resultados dispersos; una percepción concreta capaz de sugerir nuevas experiencias.

De este modo, encontramos un ejemplo claro sobre el desarrollo real de la ciencia, el cual no es lineal, directo, sencillo. Por ello, sin duda, toda innovación científica y tecnológica requiere de los investigadores un trabajo oportuno en equipo, comunicación efectiva y visión innovadora.

Texto basado de la pagina web:

LOS SEMICONDUCTORES: HISTORIA DE UN CONCEPTO

La cual esta basada en el artículo:

G. Busch: "Early history of the Physics and Chemistry of Semiconductors": Condensed Matter News 2, 15 (1993).Artículo originalmente publicado en: Eur. J. Phys. 10, 254.(1989).

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