Los Semiconductores [Viva el Ingenio]

Los Semiconductores [Viva el Ingenio]: "

El diodo de germanio, reemplazó al tubo de vacío en las radios

Continuando con la colección Viva el Ingenio, hoy vamos a hablar de los semiconductores. No se trata de un artefacto en sí, sino de una característica que ciertos materiales poseen y que los físicos aprendieron a aprovechar para mejorar componentes que habían resuelto de otra manera.

Con el auge de los semiconductores la tecnología logró dar el salto miniaturizador que caracterizó la segunda mitad del siglo XX, pero el descubrimiento en sí se remota a la mitad del siglo XIX, mucho antes de que empezara cualquiera de los inventos que hemos descrito en la colección.

Los semiconductores se llaman asi porque bajo ciertas condiciones tienen características de conductores, y bajo otras condiciones se comportan como aislantes. Esto los hace bastante malos como reemplazo de un alambre de cobre, pero en cambio son útiles cuando se quiere intervenir las características del circuito en base a ciertos estímulos.

Se podría decir que la primera vez que se documentó un fenómeno semiconductor fue cuando en 1833 Daniel Michael Faraday experimentó con Sulfuro de Plata, descubriendo que tiene un coeficiente de temperatura negativo. A diferencia de la mayoría de los metales, que empeoran su conductividad eléctrica conforme aumentan de temperatura, esta sal se volvía más conductora a medida que se calentaba. Puede parecer intrascendente, pero algo tan simple como el descubrimiento de Faraday mostró que el trade-off entre calor y conductividad no era universal.

Pasaron 40 años hasta que casi en paralelo, Frederick Guthrie y Thomas Edison documentaron el fenómeno termoiónico. Guthrie no lo usó para ningún invento patentable y Edison lo tomó como un efecto secundario perjudicial de la lámpara incandescente. Sin embargo ese principio sirvió para que 20 años después John Ambrose Fleming (antiguo empleado de Edison) patentase el primer diodo termoiónico en 1904 dando lugar al auge de los tubos de vacío.

Una vez que los tubos de vacío florecieron en la industria y se les encontró centenares de usos, alguien volvió a pensar en los semiconductores para ver si sus características podrían suplir parte de lo que se estaba haciendo con tubos de vacío. Se podría decir que el descubrimiento de Faraday durmió por más de 80 años hasta que en 1923 el suizo Walter H. Schottky publicó su Teoría de los Rectificadores Secos, en donde por primera vez se plantea el uso de semiconductores para dispositivos electrónicos.

Materiales Semiconductores

Los semiconductores elementales son aquellos compuestos por únicas especies de átomos, como lo son el silicio, el germanio, el estaño, el selenio y el telurio. Aunque a pesar de estos, existen numerosos compuestos que son semiconductores, como lo es el Arseniuro de Galio.

Previamente a la invención del transistor de unión bipolar en 1947, los semiconductores eran usados como dispositivos de doble terminal, ya sea como rectificadores y como fotodiodos. Luego es en 1960 donde el silicio remplaza al germanio como principal semiconductor, y lo sigue siendo hasta el día de hoy, constituyendo más del 95% de los semiconductores que se venden alrededor del mundo.

Sabemos que los metales tienden a ser buenos conductores de electricidad, porque usualmente tienen “electrones libres” que se pueden mover con facilidad entre los átomos, y la electricidad implica el flujo de electrones. Mientras que los cristales de silicio lucen ser metálicos, en realidad no lo son. Todos los electrones del exterior en un cristal de silicio, están unidos perfectamente de manera covalente, por lo cual no se pueden mover libremente. Un cristal de silicio puro, es casi como un aislante, por lo cual muy poca electricidad puede fluir a través de el. Pero todo esto se puede cambiar realizando un proceso llamado dopaje. Este proceso consiste en mezclar una pequeña cantidad de impurezas al cristal de silicio para transformarlo en un conductor.

Hay 2 tipos de impurezas, la de tipo N y la de tipo P:

Tipo N: En este dopaje, fosforo y arsénico es añadido al silicio en pequeñas cantidades. El fosforo y el arsénico cada uno tiene 5 electrones en su nivel externo, por lo cual están fuera de lugar cuando estos entran a la red del silicio. El quinto electrón no tiene a que unirse, por lo cual anda libre. Solo toma una pequeña cantidad de impureza para crear suficientes electrones libres dentro del cristal de silicio, para que la corriente eléctrica fluya a través de esta. El silicio de tipo N es un buen conductor, y se llama así porque los electrones tienen una carga N-egativa.

Tipo P: En el dopaje tipo P, el boro o el galio, actúan de dopantes. En este caso el boro y el galio tienen solo 3 electrones en su nivel exterior. Cuando son mezclados con una red de silicio, se forman “orificios” en la red, en donde el electrón del silicio no tiene a que unirse. La ausencia de un electrón crea un efecto de carga positivo, y he de ahí el nombre de dopaje tipo P. Estos orificios pueden conducir corriente, y un orificio felizmente acepta a un electrón vecino, moviendo el orificio a través del espacio, al igual que el tipo N también es un buen conductor.

Diodos y Transistores

Un diodo Un dispositivo que bloquea la corriente en una dirección mientras que deja el flujo de corriente en la otra dirección. Los diodos pueden ser usados de distintas maneras y en casi cualquier aparato a pilas o batería es común encontrarlo como dispositivo de protección por si uno introduce las baterías al revés. ¿A quien no le ha pasado?

Cuando algo es polarizado inversamente, un diodo ideal, bloquearía toda la corriente. En cambio un diodo real permite alrededor de 10 microamperes. Eso es muy poco, pero no es suficientemente perfecto. Si uno aplica suficiente tensión inversa, la unión se rompe y permite pasar corriente a través. Usualmente, para realizar este quiebre se requiere mucho mas voltaje del que el circuito experimentaría, por lo cual es irrelevante.

Cuando algo se polariza de manera normal, se requiere una pequeña cantidad de voltaje para activar el diodo. En el silicio, este voltaje es de 0.7 volts.

Aunque no vamos a abordarlos en profundidad ahora, vale la pena mencionar que una iteración sobre el diodo sólido que introdujo un cambio radical en la tecnología fue el transistor. Este aparato consiste en tres capas en vez de dos como lo es en un diodo. Puedes crear tanto un sándwich NPN(-+-) o uno PNP(+-+) y esquemáticamente luce como dos diodos frente a frente o espalda con espalda.

Es verdad que no puede pasar corriente a través de una estructura así, pero cuando una pequeña corriente es aplicada a la capa central del sándwich, una corriente mucho mayor puede fluir a través del conjunto, lo que permite al transistor actuar como un switch. Sin embargo el transistor merece mucho más que un párrafo: vamos a dedicarle todo un artículo para coronar la serie Viva el Ingenio. Estén atentos a los próximos capítulos.

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