Revista Multidisciplinar Epistemología de las Ciencias
Volumen 3, Número 1, 2026, enero-marzo
DOI: https://doi.org/10.71112/526zdw76
LA INFLUENCIA DE LA MECÁNICA CUÁNTICA EN LA FÍSICA Y TECNOLOGÍA DE
LOS SEMICONDUCTORES: FUNDAMENTOS, APLICACIONES Y PERSPECTIVAS
THE INFLUENCE OF QUANTUM MECHANICS ON SEMICONDUCTOR PHYSICS
AND TECHNOLOGY: FUNDAMENTALS, APPLICATIONS, AND PERSPECTIVES
Baldo Alberto Luigi Dalporto
República Dominicana
DOI: https://doi.org/10.71112/526zdw76
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La influencia de la mecánica cuántica en la física y tecnología de los
semiconductores: fundamentos, aplicaciones y perspectivas
The influence of quantum mechanics on semiconductor physics and technology:
fundamentals, applications, and perspectives
Baldo Alberto Luigi Dalporto
baldo.dalporto@intec.edu.do
https://orcid.org/0009-0008-8719-1562
Universidad INTEC
República Dominicana
RESUMEN
La mecánica cuántica constituye el pilar fundamental de la física moderna de los
semiconductores. Desde la descripción del electrón como entidad de naturaleza onda-partícula
hasta la comprensión de la estructura de bandas de energía, los efectos de túnel y el
confinamiento cuántico, los principios de funcionamiento de los dispositivos electrónicos
contemporáneos —transistores, diodos, láseres, detectores y circuitos integrados— derivan
directamente de leyes cuánticas. El presente trabajo analiza de manera rigurosa la relación
entre la teoría cuántica y la física de los semiconductores, abordando los fundamentos teóricos,
los modelos matemáticos, las aplicaciones tecnológicas y las perspectivas futuras de la
microelectrónica y la nanotecnología. Se integran ecuaciones fundamentales, resultados
experimentales y proyecciones tecnológicas con un enfoque académico y científico,
destacando el papel central de la mecánica cuántica en la evolución y los límites físicos de los
dispositivos semiconductores actuales y emergentes.
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Palabras clave: mecánica cuántica en semiconductores; estructura de bandas electrónicas;
transporte cuántico y efecto túnel; dispositivos semiconductores a nanoescala; espintrónica e
información cuántica
ABSTRACT
Quantum mechanics constitutes the cornerstone of modern semiconductor physics. From the
description of the electron as an entity of wave-particle nature to the understanding of energy
band structure, tunneling effects, and quantum confinement, the operating principles of
contemporary electronic devices transistors, diodes, lasers, detectors, and integrated circuits
derive directly from quantum laws. This paper rigorously analyzes the relationship between
quantum theory and semiconductor physics, addressing theoretical foundations, mathematical
models, technological applications, and future perspectives in microelectronics and
nanotechnology. Fundamental equations, experimental results, and technological projections
are integrated within a scientific framework, highlighting the pivotal role of quantum mechanics
in the evolution and physical limits of current and emerging semiconductor devices.
Keywords: quantum mechanics in semiconductors; electronic band structure; quantum
transport and tunneling; nanoscale semiconductor devices; spintronics and quantum information
Recibido: 29 diciembre 2025 | Aceptado: 14 enero 2026 | Publicado: 15 enero 2026
INTRODUCCIÓN
El desarrollo de la electrónica moderna no puede comprenderse sin la aplicación
sistemática de la mecánica cuántica. Aunque la física clásica describe con precisión numerosos
fenómenos macroscópicos, resulta insuficiente para explicar las propiedades electrónicas de
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los sólidos y el comportamiento de los portadores de carga en estructuras microscópicas y
nanométricas.
La mecánica cuántica surge como la herramienta esencial para describir la estructura
electrónica de los materiales, la formación de bandas de energía, la conducción eléctrica y los
procesos de emisión y absorción de radiación. En los dispositivos actuales, cada transistor
opera en un régimen dominado por efectos cuánticos, tales como el efecto túnel, la
cuantización de niveles de energía y la dispersión electrónica. En consecuencia, el dominio de
los fundamentos cuánticos es indispensable para el diseño de la próxima generación de
dispositivos electrónicos, fotónicos y cuánticos.
2. Fundamentos de la mecánica cuántica aplicada a los sólidos
2.1. El electrón como partícula-onda
La hipótesis de De Broglie establece que toda partícula con momento lineal posee una
longitud de onda asociada, dada por
donde es la constante de Planck. Esta dualidad explica que los electrones en un cristal no se
comporten como partículas libres, sino como ondas estacionarias que se propagan en un
potencial periódico generado por los iones del retículo cristalino.
2.2. La ecuación de Schrödinger en un potencial periódico
El comportamiento cuántico de los electrones en un sólido se describe mediante la
ecuación de Schrödinger independiente del tiempo:
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donde representa el potencial periódico del cristal. El teorema de Bloch demuestra que las
soluciones adoptan la forma
lo que conduce a la formación de bandas de energía y brechas prohibidas que definen el
carácter conductor, semiconductor o aislante de un material.
3. Teoría cuántica de bandas y propiedades electrónicas
3.1. Formación de bandas y brecha energética
En un sólido cristalino, los orbitales atómicos se combinan para formar bandas
continuas de energía. La energía prohibida o band gap distingue materiales conductores,
semiconductores y aislantes. Por ejemplo, es aproximadamente 1.12 eV para el silicio, 0.66
eV para el germanio y 1.42 eV para el arseniuro de galio.
La ocupación de los estados energéticos está gobernada por la distribución de Fermi–
Dirac:
donde es el nivel de Fermi.
3.2. Aproximación de masa efectiva
Cerca del mínimo de la banda de conducción, la relación energía–momento puede
aproximarse por
donde es la masa efectiva del electrón. Esta aproximación permite tratar a los electrones
como partículas cuánticas libres con parámetros modificados por la estructura cristalina.
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4. Efectos cuánticos en dispositivos semiconductores
4.1. Efecto túnel
El efecto túnel cuántico permite a los electrones atravesar barreras de potencial incluso
cuando su energía es inferior a la altura de la barrera. La probabilidad de transmisión puede
aproximarse como
Este fenómeno explica el funcionamiento de los diodos túnel y las corrientes de fuga en
transistores nanométricos.
4.2. Confinamiento cuántico
Cuando las dimensiones de un sistema se reducen al orden de la longitud de onda del
electrón, la energía se cuantiza. En un pozo cuántico unidimensional infinito, los niveles
energéticos están dados por
5. Fenómenos cuánticos avanzados
Se destacan fenómenos como los excitones, descritos mediante el modelo de Wannier,
y el transporte cuántico balístico, formalizado por la ecuación de Landauer, fundamentales para
comprender dispositivos nanoelectrónicos y espintrónicos.
6. Aplicaciones tecnológicas
La mecánica cuántica gobierna el funcionamiento de los MOSFET avanzados, los
dispositivos de túnel resonante, los puntos cuánticos y los materiales bidimensionales,
estableciendo los límites físicos del escalado tecnológico.
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7. Semiconductores y computación cuántica
Los semiconductores constituyen la base de múltiples plataformas de qubits, en
particular aquellos basados en espín electrónico en silicio. El acoplamiento espín–órbita,
descrito por
es clave en la espintrónica y la computación cuántica sólida.
8. Perspectivas futuras y desafíos
La continua miniaturización de los dispositivos impulsa la convergencia entre
microelectrónica y computación cuántica. Materiales topológicos, estructuras híbridas y control
cuántico avanzado definirán la próxima etapa de la tecnología de semiconductores.
METODOLOGÍA
El presente estudio se desarrolló bajo un enfoque cualitativo y analítico mediante una
revisión sistemática de la literatura especializada en física del estado sólido y nanotecnología.
La metodología se estructuró en tres fases: primero, la recopilación y análisis de las ecuaciones
fundamentales de la mecánica cuántica (Schrödinger, Bloch, De Broglie) a partir de textos
seminales para establecer el marco teórico; segundo, la correlación de estos principios
matemáticos con fenómenos experimentales en semiconductores (efecto túnel, confinamiento
cuántico) utilizando artículos de revisión técnica; y tercero, la proyección de estos conceptos
hacia tecnologías emergentes. Se seleccionaron fuentes académicas de alto impacto que
abordan tanto la física fundamental como la ingeniería de dispositivos, permitiendo una síntesis
rigurosa que conecta la teoría abstracta con la funcionalidad práctica de los componentes
electrónicos modernos.
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RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El análisis de los fundamentos presentados evidencia un cambio de paradigma en la
ingeniería electrónica: la mecánica cuántica ha dejado de ser una mera herramienta correctiva
para convertirse en la base del diseño de hardware.
Mientras que en la microelectrónica clásica efectos como el túnel cuántico se
consideraban limitaciones parásitas que debían mitigarse, en la nanoelectrónica actual estos
fenómenos se explotan deliberadamente para crear dispositivos más rápidos y eficientes, como
los diodos túnel y los transistores de efecto de campo de aleta (FinFETs). La discusión sugiere
que la barrera física de la miniaturización no es absoluta, sino que marca la transición hacia
arquitecturas donde variables como el espín y la fase de la función de onda reemplazan a la
carga eléctrica convencional, validando la convergencia inevitable hacia la computación
cuántica descrita en las perspectivas futuras.
CONCLUSIONES
La mecánica cuántica no es únicamente una teoría explicativa, sino el fundamento
constitutivo de la física de los semiconductores. El futuro de la electrónica, la fotónica y la
computación cuántica depende de la aplicación rigurosa de estos principios en el diseño de
nuevos materiales y dispositivos.
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