Autor:
Ing. Víctor Cires
Gavidia
Octubre, 2003 |
A
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sí son los semiconductores, substancias que ni son
tan buenos conductores como los metales ni muy buenos
aisladores como el vidrio.
Claro que todo este conocimiento se lo debemos a los
científicos que desarrollaron la nueva física cuántica, a hombres como
Heisenberg,
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De Broglie,
Dirac,
Pauli,
Bohr,
Schrödinger, etc.
Pues bien, los semiconductores son eso:
semiconductores o semiaisladores, es decir: ni tan
tan, ni muy muy.
Veamos de qué se trata, cómo se fabrican y para qué
sirven.
Empezaré, como dicen los norteamericanos, con un libro
de recetas de cocina de los cuantos ("Quantum Cook
Book") y ya después (si puedo), trataré de explicar
los por qué.
RECETA
No. 1.
Para fabricar un diodo a base de germanio:
Tómese un cristal de germanio, que tenga sus cuatro
electrones en la órbita exterior de cada uno de sus
átomos, es decir puro.
Compruébese que dichos electrones son compartidos con
átomos adyacentes para formar las uniones que
constituyen el cristal.
Introdúzcase en el cristal una pizca de átomos de
arsénico cuidando de observar que tengan sus cinco
electrones de la última órbita, (el arsénico puro
tiene cinco electrones).
Estos átomos de arsénico, tratarán de formar parte del
cristal, soltando el electrón orbital sobrante.
Así hemos producido un semiconductor negativo
(electrones sobrantes) o tipo "N".
Tómese ahora otro cristal de germanio, u otra parte
del mismo y agréguesele ahora una pizca de átomos de
galio, cuidando de observar que tenga sus tres
electrones orbitales en la capa exterior, (el galio
puro, tiene tres electrones en dicha capa).
Estos átomos de galio también trataran de formar parte
del cristal, pero como a cada átomo le falta un
electrón, producirá un "hueco", que saltará de un lado
a otro como carga positiva.
Así hemos producido un semiconductor positivo
(electrones faltantes) o tipo "P".
¿Qué sucede si juntamos ambos semiconductores?, y ¿qué
sucede en la parte de cristal de germanio intermedia
entre las dos partes en las que hemos puesto átomos de
arsénico y galio?
Pues que los electrones sobrantes del arsénico, parte
N, tratarán de pasar a ocupar los huecos dejados por
el galio en la parte P, pero el cristal o la parte del
cristal intermedia de germanio se los impedirá por ser
un aislador (órbita exterior completa con cuatro
electrones).
Seguimos con la receta.
Conéctese un alambre de cobre a cada uno de los
semiconductores opuestos.
Hemos fabricado un diodo a base de germanio.
Fin de la receta No. 1.
También tenemos otra receta parecida, para fabricar un
diodo a base de silicio.
¿Para qué nos sirven?
Si aplicamos un voltaje, digamos que un voltaje
alterno, entre ambos semiconductores, cuando el
voltaje sea positivo en la parte N y negativo en la
parte P, los electrones sobrantes del arsénico serán
atraídos por el conductor de cobre positivo y los
huecos del galio serán atraídos por el conductor de
cobre negativo, quedando al centro una amplia región
cristalina sin electrones ni huecos sobrantes,
constituyéndose un buen aislador, por el que sólo
fluirá una pequeña corriente de fuga, debida a la
agitación térmica de las moléculas.
Cuando el voltaje se invierte, el campo eléctrico del
conductor negativo empujará a los electrones del
arsénico hacia la unión intermedia de ambos
semiconductores y el conductor positivo empujará a los
huecos del galio hacia la misma unión central.
Bastará un pequeño voltaje (de umbral), lo
suficientemente alto para que los electrones sobrantes
del arsénico salten a través de la unión de ambos
semiconductores y circule una corriente,
comportándose en este caso toda la estructura como un
buen conductor.
Nuestro diodo es un rectificador (¿recuerdan?).
Podemos fabricar otros diodos (recetas del segundo
curso de cocina), de tal forma que la corriente al
saltar a través de la unión excite a los átomos de
éste y nos produzca luz.
A éstos les llamamos diodos emisores de luz (light
emiting diodes, o leds) y nos sirven, entre otras
cosas para substituir a las lámparas piloto de
nuestros aparatos, con la ventaja de que durarán mucho
más que éstas y consumirán menos energía.
Podemos fabricar otros en los que, al aplicarles el
voltaje adecuado no conduzcan, pero se vuelven
conductores cuando iluminamos la banda de unión,
debido a que la corriente de fuga se incrementa por la
lluvia de fotones que recibe.
A éstos les llamamos fotodiodos y nos sirven para
contar objetos o abrir puertas automáticamente, entre
otras cosas.
RECETA No. 2.
Para fabricar un tríodo o transistor.
De acuerdo con la receta clásica inventada en 1947 por
sus autores: Bardeen, Brattain y Shokley, vamos a
hacer un sandwich.
Tómese un diodo N-P y ahora agréguese al cristal,
junto al semiconductor P, otro semiconductor N, de
manera que el semiconductor P quede entre los dos
semiconductores N, procurando que la región P quede
muy delgada.
Conéctese un alambre conductor a cada una de las tres
regiones.
El conjunto constituye ahora un "transistor" N-P-N.
Nombraremos a los tres semiconductores, para
distinguirlos:
Emisor al primer semiconductor N, Base al
semiconductor que queda en medio P y Colector al nuevo
semiconductor agregado N.
Otra variante de la misma receta, consiste en agregar
al cristal junto al semiconductor N, otro
semiconductor P, lo que nos produce un transistor
P-N-P.
Cualquiera de los dos constituye un transistor, aunque
es más común el N-P-N
Fin de la receta No. 2.
Veamos cómo funciona:
Tomemos un transistor N-P-N:
Si aplicamos un voltaje positivo al colector (N) y
negativo a la base (P), no circula corriente en el
circuito.
Lo mismo sucede entre el colector y el emisor si
conectamos la base al emisor.
Si ahora aplicamos gradualmente un voltaje positivo a
la base, con respecto al emisor, circulará una pequeña
corriente entre la base y el emisor, pero ahora vemos
que la amplia región cristalina aislante que teníamos
entre el colector y la base, ha disminuido, debido a
la presencia de los electrones que fluyen entre la
base y el emisor, provocando que circule una corriente
mucho mayor entre el colector y el emisor.
Si hacemos las medidas correspondientes, veremos que
la corriente entre el colector y el emisor, aunque
mucho mayor, es prácticamente proporcional a la
corriente entre la base y el colector.
¿Ven la semejanza que existe entre este transistor y
el tríodo?
La pequeña corriente entre la base y el colector, nos
sirve para controlar una corriente mucho mayor entre
el emisor y el colector.
El transistor nos sirve por lo tanto como amplificador
de la señal y puede substituir al tríodo en todos los
casos.
Parece ocioso ennumerar todas las ventaja que
representa: es mucho más pequeño, mucho más robusto,
más barato, no necesita filamento que calentar, es más
eficiente, la capacidad (eléctrica) entre componentes
es mucho más chica, es mucho más rápido, etc.
En 1958, Jack Kilby, trabajando en la Cía. de Texas
Instruments, tuvo la idea de colocar dos transistores
en el mismo cristal de silicio y creó así el primer
"circuito integrado", al que él llamó "chip".
El chip, es una pastilla cuadrada de 5 mm de lado y
1/10 de mm de espesor.
De esa fecha para acá, se han tratado de meter más y
más componentes en un chip.
Para darles una idea del progreso de esa tecnología,
el número de componentes que se han podido poner en un
chip son los siguientes:
30 en 1965.
30,000 en 1975.
35,000 en 1978.
300,000 en 1983.
3'000,000 en 1986.
10'000,000 en 1990
Con los chips, entre otras muchas cosas, se han
construido computadoras.
Las computadoras actuales de bolsillo, son ahora mucho
más poderosas, confiables y eficientes que las que
antiguamente ocupaban varios cuartos, generaban una
cantidad enorme de calor y fallaban cada pocas horas.
Actualmente se están trabajando en nuevas tecnologías
y se piensa que pronto se podrá construir una
computadora que funcione a base de superconductores,
lo que incrementará enormemente la velocidad.
Los científicos están hablando de nuevos desarrollos
en que los chips se puedan producir biológicamente.
¿Para qué nos sirven?
Más bien diría yo, ¿para qué no?
Esos gusanos de muchas patas, pues así parecen, por la
envoltura en que vienen, pululan por todas partes:
En el reloj de pulsera que traemos en la muñeca, en la
computadora en que estoy escribiendo, en el monitor
en que estoy viendo lo que escribo, en la grabadora
que guarda lo que escribo en un diskette, en la
impresora, en la lavadora de trastos que usan en la
cocina, hasta en el programador que controla la
lavadora de ropa.
En la industria controla todo el proceso: arranca
motores, abre válvulas, establece puntos de control,
indica anormalidades, prende alarmas o para el equipo
si llega a puntos peligrosos de operación, imprime
resultados y optimiza la operación para hacerla más
eficiente y económica.
Controla los robots que perforan, cortan, pulen,
pintan y controlan la calidad de los productos
terminados ya sean automóviles, lavadoras, planchas o
lo que sea.
Dirigen el tráfico en la calle y en el aire, prenden y
apagan semáforos, indican la cantidad de vehículos que
circulan por determinada calle, registran los aviones
en vuelo y determinan sus rutas más adecuadas, les
calculan el consumo de combustible y la altura a que
deben volar.
Podría así seguir con una lista innumerable, pues casi
no hay lugar en los avances de la tecnología actual en
que no intervengan los chips, esos cuadritos de
silicio de 5 por 5 mm. |
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