Los semiconductores - Introducción

Las válvulas de vacío mantuvieron su supremacía a lo largo de 40 años. Sin embargo, su bajo rendimiento era una especie de espada de Damocles que tarde o temprano acabaría con su existencia y su popularidad.

Una válvula de vacío consume un watio para poder amplificar solo la millonésima parte de esa potencia (1 µW). Sin embargo, los transistores modernos logran rendimientos en determinadas ocasiones muy superiores al 50% y la potencia necesaria para su funcionamiento es un millón de veces menor de la que exige una válvula termoiónica.

Cuando aún no había aparecido el diodo de germanio, antes de 1940, los semiconductores aparecían rodeados de cierto halo de misterio. Se trataba de materiales que no disfrutaban de la conductibilidad de los metales, pero al mismo tiempo tampoco podían considerarse aislantes.

Sin embargo, en un corto periodo de tiempo las investigaciones al respecto avanzaron vertiginosamente y, en muy pocos años, los semiconductores fueron sustituyendo a las válvulas en la mayoría de las aplicaciones.

Comenzamos a partir de ahora el estudio de esta atractiva rama de la electrónica, los semiconductores. ¿Te atreves a continuar con nosotros?.

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En el aspecto eléctrico, los dispositivos semiconductores difieren enormemente de las válvulas de vacío. Efectivamente, ambas tecnologías utilizan tensiones de polarización muy diferentes y además, en el caso de los semiconductores existe una dependencia funcional de la temperatura muy acentuada.

Mientras que en las válvulas, y según hemos visto en artículos precedentes, se dirige el movimiento y la dirección de los electrones dentro de un tubo en el que se ha realizado el vacío, en los semiconductores nos resulta posible hacer lo mismo pero dentro de la estructura molecular de un cuerpo sólido.

Esto último ha propiciado la aparición en escena de un nuevo concepto; los llamados "huecos". Tal y como ocurre con los electrones, los huecos son considerados portadores de carga, solo que en su caso de signo positivo a diferencia de los electrones los cuales, como sabemos, tienen carga negativa.

ANTECEDENTES HISTÓRICOS
Al principio se descubrió como existían determinados materiales que, al ser puestos en contacto con una punta metálica y ser sometidos a una diferencia de potencial, por lo que a través de dicho "contacto" circulaba una corriente eléctrica, la resistencia que ofrecía el conjunto no era la misma en un sentido que en el otro. Se pudo comprobar como la "galena", un mineral compuesto básicamente por sulfuro de plomo y algunas impurezas, presentaba este efecto de forma destacada.

Esto hizo que dicho mineral, el cual se presenta formando "cristales" cúbicos y octaédricos, se comenzara a usar en la demodulación de señales de radio como detector dada su facultad de conducir mejor en un sentido que en el otro, y por este motivo se le llamó "detector de cristal".

Sin embargo, aunque la gente lo usó por muchos años antes de la llegada de las válvulas de vacío, nadie conocía con exactitud el funcionamiento físico del mencionado artilugio. A la sazón era únicamente la experiencia y el uso habitual los que mostraban las cualidades y aptitudes técnicas de este elemento, y no precisamente la investigación científica la cual hasta ese momento brillaba por su ausencia.

Aunque existían diferentes minerales capaces de actuar como detectores al ponerlos en contacto con una punta metálica, solo unos pocos además de la galena ya mencionada disfrutaban de esta particularidad de manera aprovechable. Ejemplo de esto son la pirita y el carborundo, al que se le conocía vulgarmente como el "oro de los pobres".

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Además, solo se obtenía un buen resultado en algunos puntos de la superficie de los cristales elegidos, los cuales se buscaban mediante tanteo, pinchando aquí y allá con la punta metálica hasta encontrar un lugar en el que el invento funcionaba.

Lógicamente, había que andar con mucho cuidado de no tocar aquello, ya que un simple roce que moviera la punta metálica acabaría con la escucha y entonces tocaba buscar de nuevo el "punto sensible" del mineral.

Los científicos comenzaron a investigar las estructuras semiconductoras, curiosamente no con el objetivo de obtener un componente electrónico, y en 1940 apareció el primer diodo de cristal encapsulado y estable, de manera que ya no hacía falta "buscarle el punto", cosa que había hecho el fabricante antes de ponerlo a la venta.

En el año 1948, los físicos de la "Bell Telephone Company" Bardeen y Brattain capitaneados por William B. Shockley, inventaron un dispositivo basado en materiales semiconductores que cambió el mundo. Se trataba del "transistor", denominado así por la contracción de la expresión inglesa "transfer resistor" que se puede traducir como dispositivo de "transferencia de resistencia".

A partir de aquí, los adelantos científicos conseguidos en este campo han sido inmensos. Podemos decir que el transistor ha invadido nuestras vidas, siendo el componente fundamental de cada uno de los equipos electrónicos que tenemos en casa, integrado a su vez dentro de otro componente o de forma discreta.

En la actualidad existen muchos tipos de componentes electrónicos basados en semiconductores. En el campo de los diodos tenemos detectores, rectificadores, tiristores (SCR), zener, tunel, schottky, pin, etc... En la gama de transistores encontramos los bipolares (BJT), FETs, uniunión (UJT) y fototransistores. Por otro lado tenemos el diac y el triac. Además, los adelantos tecnológicos han hecho posible diferentes tipos de componentes con miles, e incluso millones de transistores integrados en una sola pastilla de semiconductor.

Recapitulemos y repasemos un poco lo aprendido hasta ahora. Como vimos en artículos precedentes, el funcionamiento de las válvulas termoiónicas se basa en el flujo de electrones que se establece entre el cátodo y la placa. Este flujo de electrones lo podemos controlar gracias a la acción de las rejillas intercaladas entre ambos electrodos.

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El funcionamiento de un dispositivo semiconductor, como por ejemplo el transistor, también se basa fundamentalmente en un flujo electrónico. Sin embargo, existen diferencias sustanciales entre los dos dispositivos, diferencias que debemos de tener muy claras para poder entender la técnica de los semiconductores. Para ello, no nos queda otro remedio que adentrarnos de nuevo en el mundo de los átomos.

LOS BUENOS CONDUCTORES
Si nos has estado siguiendo desde el principio recordarás las ocasiones en las que hemos hablamos de la "teoría electrónica de la materia". Si no has leído aquello sería muy conveniente que lo hagas antes de seguir con el estudio de este artículo. De todas formas, daremos un pequeño repaso en los siguientes párrafos.

Como probablemente sabrás, el cobre es un buen conductor de la electricidad. La razón de esto es su peculiar estructura atómica. El átomo de cobre tiene en su núcleo la cantidad de 29 protones (cargas positivas). Por lo tanto, en estado neutro, este átomo tiene 29 electrones girando alrededor del núcleo formando capas u órbitas, de manera similar a como están dispuestos los planetas alrededor del Sol.

Cada órbita o capa puede albergar a un número máximo de electrones, número que obtenemos mediante la fórmula 2N2, siendo N el número de la capa contada desde la más interna a la más externa. Para la primera capa tendríamos un máximo de 2·12=2 electrones. Para la segunda, el máximo sería de 2·22=8 electrones. Para la tercera tendríamos un tope de 2·32=18 electrones. Sumando el número máximo de electrones de las tres primeras capas tendremos 2+8+18=28 electrones.

Como el cobre tiene 29 electrones en total, resulta que la cuarta y última de sus órbitas alberga a un solo electrón. Lógicamente, este electrón es el más alejado del núcleo y también el que menos influido está por la carga positiva de éste. Por lo tanto, es sumamente fácil que un campo eléctrico (tensión) aplicado al conductor lo arranque de su sitio natural y lo traslade a otro átomo cercano. Por esta razón, el cobre es un buen conductor de la electricidad.

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A la última capa de un átomo, la más externa, se le llama órbita de valencia. Esa es la única capa que nos interesa para el estudio de la electrónica; las demás órbitas del átomo no tienen ningún atractivo para nosotros.

Al electrón o electrones que la ocupan se les da el nombre de electrones de valencia. En el caso del cobre, al único electrón de valencia que tiene su átomo se le conoce también como electrón libre, dada la poca influencia que ejerce su núcleo sobre él.

LA ESTRUCTURA ATÓMICA
Es casi seguro que conoces cuales son los mejores conductores de la electricidad que existen. Uno de ellos, el cobre, ya lo hemos mencionado. Otros son: el oro, la plata y el platino. Aunque los átomos de cada uno de ellos son distintos, hay algo que todos tienen en común. ¿Te rindes?... Anteriormente te hemos dado una buena pista.

¡Efectivamente!... Todos tienen un solo electrón de valencia en su última capa.

Ahora otra pregunta interesante... ¿Sabes cuantos electrones de valencia tienen los mejores aislantes? ¡Aaaaaaahh! Te hemos cogido fuera de juego ¿eeeeh?. No disimules. No lo sabes. ¡Reconócelo hombre, que no pasa nada!

¡OCHO!... Los mejores aislantes tienen 8 electrones en su última capa.

No se sabe por qué, pero la gran mayoría de elementos químicos que en principio no poseen esta cantidad de electrones en su última capa tienen cierta predisposición a combinarse, compartiendo electrones con otros átomos, para conseguir tener esos ocho en su capa de valencia. De esta manera obtienen una gran estabilidad química.

A nivel atómico, el 8 parece un número mágico. De hecho, la capa de valencia no puede contener más de 8 electrones. Una vez que un átomo consigue tener esa cantidad de electrones en su última capa, su estabilidad aumenta enormemente y deja de tener apetencia por capturar o perder otros electrones. De ahí que los mejores aislantes sean los que tienen 8 electrones en su capa de valencia.

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En la tabla periódica de los elementos que hemos incluido arriba, podemos apreciar los electrones que contienen cada una de las capas de los átomos representados (Haz clic en ella para abrirla en otra ventana). Los científicos aluden a las capas del átomo mediante las letras K, L, M, N, O, P y Q, siendo la capa K la más cercana al núcleo (Ver a la derecha de la tabla).

Otro dato interesante es que las capas u órbitas son a los electrones como las carreteras a los coches. Es decir, un electrón no puede girar por donde le de la gana. Indefectiblemente ha de hacerlo exactamente por una de las órbitas que el átomo tiene establecidas para ello. Dicho de otra manera, el átomo solo permite ciertas longitudes de radio para las órbitas.

Con esto último queremos indicar, entre otras cosas, que a un electrón le resulta imposible orbitar entre dos capas, ya que el átomo no permite que ese espacio pueda ser ocupado. Por eso, un electrón puede girar alrededor del núcleo en la capa 1, en la 2, en la 3, etc... pero nunca entre la 1 y la 2, ni entre la 2 y la 3, ni entre cualquiera de las capas u órbitas firmemente establecidas.

UN POCO DE FÍSICA CUÁNTICA
Es probable que te preguntes... "¿Tenemos que estudiar física cuántica para llegar a entender el funcionamiento de los semiconductores?". La respuesta es "no necesariamente". Pero si damos una pasada, o como decimos en el título del subtema, saboreamos solo "un poco" de ella, todo lo que viene después lo interpretaremos mucho mejor. Por otra parte, no debes preocuparte que no caerás enfermo ni te pasará nada al seguir leyendo el resto del artículo.

Las diferentes órbitas de un átomo representan diferentes niveles de energía. Cuanto más alejada está la órbita del núcleo, más energia tienen los electrones que giran en ella. Concretando, los electrones que giran en la segunda órbita tienen más energía potencial que los que lo hacen en la primera, debido a que aquellos están más alejados del núcleo. A su vez, los que orbitan en la tercera capa tienen más energia que los que lo hacen en la segunda, y así sucesivamente.

Si queremos colocar a un electrón en otra órbita más elevada y separada del núcleo será necesario aplicarle cierta cantidad de energía, o dicho de otra forma, tendremos que darle un impulso suficientemente fuerte, ya que de lo contrario no alcanzará la órbita superior y volverá a caer de nuevo en la suya original.

Si nos pasamos y aplicamos un impulso más fuerte del necesario, el electrón seguirá cayendo en la órbita superior a la suya, a no ser que dicho impulso sea tan fuerte que le permita al electrón alcanzar dos órbitas más allá. A esto que hemos llamado "impulsos", una vez calculada y evaluada matemáticamente la cantidad de energía que representan, se les denomina "QUANTOS" o "CUANTOS".

El caso contrario a lo comentado anteriormente ocurre cuando un electrón se coloca una órbita por debajo de la suya. Entonces este electrón pierde la energía adicional que tenía cuando estaba en la órbita superior.

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Además, y en otro marco de circunstancias, cuando por la aplicación de cierta cantidad de energía un electrón escapa de su átomo y se convierte en electrón libre, éste adquiere un estado de energía superior al que tenía cuando estaba ligado a su átomo. A la inversa, cuando un electrón libre es captado por un átomo y es colocado en su órbita externa, el electrón pierde la energía adicional que tenía.

En ambos casos, es decir, cuando un electrón pasa a una órbita inferior o es captado por un átomo y deja de ser un electrón libre, la pérdida de energía que experimenta se manifiesta mediante la aparición de calor y de luz. Ya hemos hablado un poco sobre esto en el artículo dedicado al cálculo de circuitos con diodos LED.

Resumiendo lo comentado hasta ahora en este subtema, hablamos de la existencia de unos determinados NIVELES DE ENERGÍA en los electrones, niveles cuyos valores dependen del lugar de la estructura atómica donde se encuentre el electrón en un momento determinado. Vamos a ampliar este concepto a continuación.

BANDAS DE ENERGÍA
Como ya hemos dicho en el subtema anterior, dependiendo de la magnitud de la órbita que ocupe un electrón así será su nivel de energía total. Dicho de otra forma, cuanto mayor sea la órbita que describa el electrón, mayor será la energía que contenga.

Esto quiere decir que los electrones de la órbita más pequeña, la primera, están en el primer nivel de energía. Los electrones que ocupan la segunda órbita se encuentran en el segundo nivel de energía. Los que están en la tercera órbita tienen una energía superior, se encuentran en el tercer nivel, y así hasta llegar a la órbita más alejada del núcleo.

Esto lo entenderemos mejor si comparamos a esos electrones y al núcleo de su átomo con objetos físicos suspendidos a una determinada altura de la Tierra. Cuanto más alto y separado de la Tierra esté el objeto, mayor será su energía potencial porque, si lo dejamos caer, podrá ejecutar un trabajo tanto mayor cuanto más grande sea la distancia que los separa.

Pero además, ocurre algo singular. Pasa que los electrones de un determinado material están influenciados por las cargas eléctricas que los rodean. Como la posición de cada uno de estos electrones dentro de la estructura atómica es distinta, resulta que ninguno de ellos posee exactamente el mismo nivel de energía, y esto sucede incluso cuando ocupan una misma órbita, sea en su propio átomo o en otro distinto.

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Dicho de otra manera: los niveles de energía de cada electrón son ligeramente diferentes aunque ocupen la misma órbita. Esto es así en todos los electrones, pero de forma más acusada en los que habitan la órbita de valencia, al estar más influidos por los átomos adyacentes que los de las capas internas.

Por ejemplo; todos los electrones de la primera órbita de los átomos de un trozo de material cualquiera tienen niveles de energía ligeramente diferentes. Como resulta que existen millones y millones de ellos, con todos esos electrones cuyo nivel de energía es muy parecido pero NO EXACTAMENTE IGUAL, se forma un grupo al que llamamos PRIMERA BANDA DE ENERGIA.

De la misma manera, todos los millones de electrones que ocupan la segunda órbita forman la SEGUNDA BANDA DE ENERGÍA. Algo similar ocurre con los de la tercera órbita, los cuales ocuparían la TERCERA BANDA, y así hasta llegar a la última.

Los electrones de valencia, los de la última órbita, se dice que están en la BANDA DE VALENCIA, y de aquellos que consiguen escapar de su átomo y obtienen de esta manera un nivel de energía superior que cuando estaban ligados a él, se dice que ocupan una banda de energía llamada BANDA DE CONDUCCIÓN.

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El átomo no permite que el espacio existente entre cada una de las bandas de energía sea ocupado, de manera que esos niveles de energía no existen como tales al no haber electrones que puedan acceder a esos valores. A estas bandas de energía se les llama BANDAS PROHIBIDAS.

Como veremos más adelante, la diferencia entre un material buen conductor, un semiconductor y un aislante depende de la magnitud o extensión de la banda prohibida existente entre la banda de valencia y la banda de conducción. Pero eso lo estudiaremos a partir del próximo artículo. Hasta entonces.

 
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