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Teoría
El átomo - Electricidad estática

Mucho hemos oido sobre el átomo, pero quizás es poco lo que sabemos de él. El descubrimiento de la estructura del átomo puede considerarse una de las cosas mas extraordinarias de cuanto han conseguido los científicos de nuestro tiempo. En la filosofía de la antigua Grecia, la palabra "átomo" se empleaba para referirse a la parte de la materia más pequeña que se podía concebir. Esa "partícula fundamental" se consideraba indestructible. De hecho, el término átomo significa "no divisible" como ya hemos comentado en el artículo anterior. Con el desarrollo de la física nuclear, en el pasado siglo XX,  se comprobó que el átomo puede subdividirse en partículas más pequeñas.

El estudio básico del átomo es algo esencial para la comprensión posterior de toda la teoría electrónica. Sin entender "como funciona" (valga la expresión) un átomo, como interactuan unos átomos con otros, que fuerzas existen entre ellos y dentro de ellos, y en definitiva que es lo que pasa y por qué a esos niveles de la materia, sería imposible llegar a comprender el funcionamiento de los semiconductores o las válvulas de vacio (por ejemplo). ¿Te atreves a continuar?.

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Noticias
AFHA - Curso Electrónica, Radio y TV - Tomo 4

Tomo 4 del curso de Electrónica, Radio y Televisión de AFHA.

En este cuarto tomo se habla de amplificadores de sonido, altavoces, impedancia, acoplamiento, curva de máxima disipación, triodos de potencia, tetrodos, pentodos, parámetros, emisión secundaria, proyecto de un amplificador, punto de trabajo, sensibilidad de potencia, amplificador de dos etapas, distorsión de amplitud y de frecuencia, curva de respuesta, frecuencia de corte, teorema de Fourier, grabación y reproducción de discos, piezoelectricidad, etc...

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Radioaficionados
Construcción fácil de un radio galena

Construir un radio galena siempre es algo que tiene su encanto. Oir la radio mediante una serie de componentes que nosotros mismos hemos ensamblado, y sin que intervenga además ningún tipo de pila, batería o fuente de alimentación es algo que, cuando se logra por primera vez, deja huella y se recuerda a lo largo de los años.

Claro que, para que eso ocurra, uno debe apreciar la radio, sentir atracción por ella. No limitarse a ser solo un escuchante (participio activo del verbo escuchar) sino ser sobre todo un "amante laborioso". Y eso es precisamente lo que nos pasa a muchas personas. Todavía, en la época en que vivimos, tenemos la radio como algo extraordinario y fascinante a pesar de que Internet haya invadido nuestras vidas y nuestros hogares. Nosotros pertenecemos a ese tipo de gente que pensamos que ambas cosas se complementan, y que además ninguna de ellas puede sustituir a la otra.

Por esta última razón, aún hoy disfrutamos cuando tenemos el placer de fabricar un simple radio galena. Por esta última razón hemos querido publicar este artículo en el que vamos a exponer con todo lujo de detalles como fabricarse un receptor de este tipo y posteriormente, en otros artículos, mejorarlo con algún aditamento extra. ¿Nos sigues?.

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Miscelanea
Tira a matar - Juego de reflejos

¿Con que rapidez responde tu cuerpo a los impulsos externos?. ¿Cuanto tiempo necesitarías para reaccionar ante un peligro inminente?. Si oyes un disparo cercano ¿tus reflejos te hacen "salirte del pellejo"?.

Para poner a prueba la rapidez de respuesta a tus estímulos nerviosos hemos ideado un pequeño circuito con el que podrás medirte en este aspecto con otra persona, y de paso cultivar la faceta "reflexológica" del ser humano. Se trata de algo así como un duelo, lógicamente sin pistolas y sin balas pero eso si, al ser del todo electrónico, con botones y con luces.

Una vez construido el dispositivo se dispondrán dos botones de mayor o menor tamaño, los cuales accionarán sendos pulsadores conectados a nuestro circuito. Al oir una señal, los dos participantes se apresurarán a pulsar su correspondiente botón.

El más rápido de los dos se llevará el gato al agua y ganará el juego. Su victoria quedará fehacientemente constatada porque la luz que le corresponde indicará ese hecho.

Comenzamos con esta reseña una nueva categoría de artículos a la que llamaremos "Miscelánea", en la que tendrán cabida una amplia variedad de temas con multitud de contenidos. Esperamos que esta novedad sea de tu agrado.

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Práctica
El electroscopio

Llegó la hora de realizar nuestra primera práctica electrónica. Una vez que hemos estudiado la electricidad estática estaría bien ver los efectos que produce esta mediante un artilugio construido por nosotros mismos.

En este artículo vamos a explicar que es un electroscopio y además vamos a fabricar uno con materiales muy comunes a practicamente costo cero. Siendo un instrumento sumamente fácil y económico de construir, con él podremos ver los efectos de la electricidad estática estudiados en el artículo anterior.

William Gilbert (1544-1603), médico y físico inglés, fué la persona que construyó por primera vez un electroscopio para realizar experimentos con cargas electrostáticas. Acérrimo defensor de la teoría copernicana, sus mayores aportaciones a la ciencia tratan sobre electricidad y magnetismo. Al mostrar que el hierro a altas temperaturas (al rojo) no presenta alteraciones magnéticas, se adelantó a los modernos descubrimientos de Curie. Aunque actualmente el instrumento inventado por Gilbert no es más que una pieza de museo, existiendo herramientas muchísimo mas modernas para estos menesteres, resulta muy instructiva su construcción. Prepárate pués para empezar a experimentar con la electricidad estática.

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Teoría
Las ondas (III)

Hasta ahora hemos desarrollado varias nociones básicas relacionadas con las ondas, las cuales son importantísimas para poder continuar adelante. Aunque no nos lo parezca ya sabemos muchas cosas sobre las ondas, bastante más de lo que saben muchas personas. Hemos visto la mecánica del movimiento ondulatorio, particularmente en un medio físico como el agua, y hemos llegado a entender que lo que se propaga es la vibración o los impulsos vibratorios y no las moléculas del medio en que se produce la onda. Sabemos también el significado de algunos términos relacionados con ellas, como "cresta", "seno", "longitud de onda" y "amplitud".

Pero aún nos quedan por conocer algunos conceptos mediante los cuales vamos a poder comprender términos relacionados con el radioaficionado que oímos casi a diario. Nos referimos a expresiones como "frecuencia", "megahercios", "kilociclos", "megaciclos", etc. Además veremos también, aunque de manera muy básica, como podemos incluir la información sonora en una señal de radiofrecuencia y de que manera, una vez que haya recorrido su camino, podemos volver a extraerla para aplicarla al altavoz y oirla a miles de kilómetros de distancia. Para ello te invitamos a leer este artículo y los dos siguientes para sumergirte mas de lleno aún en el estudio de las ondas. ¿Te atreves?.

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Noticias
Sinclair Micromatic - Receptor REFLEX miniatura

Si tienes una edad avanzada es muy posible que ya conozcas este pequeño receptor. No obstante, si eres joven estoy seguro que te gustará conocerlo.

Diseñado y construido por uno de los genios de la electrónica y la informática que surgieron durante el siglo pasado, Sir Clive Sinclair, este mini equipo de radio de solo dos transistores que implementa el sistema REFLEX fue un verdadero boom en su momento.

Del tamaño de una caja de cerillas, usaba unos auriculares para la escucha de la emisora sintonizada y su consumo era mínimo, hasta el punto de usar solo dos pilas de botón para su alimentación.

Pincha en "Leer completo..." para saberlo todo sobre este receptor.

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Los semiconductores - La unión PN

Para lograr comprender los fenómenos que se producen en las entrañas de un diodo, de un transistor o de cualquier otro dispositivo semiconductor, primero tenemos que aprender cosas relativas a los llamados "portadores de carga". Ellos son los encargados de establecer el flujo de corriente eléctrica en el cristal semiconductor.

Hasta el momento conoces de sobra a uno de ellos, el electrón, el cual también existe en los materiales buenos conductores. Es probable además que, aunque solo sea de oidas, conozcas al otro miembro de esta familia, el hueco. La existencia de este último en su estructura cristalina es lo que hace especiales a los semiconductores.

El objetivo que nos proponemos conseguir con este artículo es darte la información necesaria para que sepas como actúan estos portadores de carga en el seno del cristal semiconductor, además de otros temas relacionados e igualmente interesantes. Una vez que hayas asimilado esto, estarás preparado para conocer el funcionamiento de la unión PN, alma y corazón de gran parte de los dispositivos semiconductores existentes.

LA "PARTE INTERNA" DEL ÁTOMO
Antes de adentrarnos en la materia nos gustaría exponerte el punto de vista desde el que vamos a tratar el tema relativo a la estructura atómica de los materiales usados en la fabricación de diodos, transistores y semiconductores en general.

En el artículo de introducción publicado con anterioridad ya hemos dejado dicho que la parte del átomo que nos interesa es básicamente su órbita de valencia, es decir, la más externa. Esa es la órbita que controla las propiedades eléctricas del átomo, y por extensión, del elemento del que forme parte este átomo.

Por esta razón, a partir de este momento y para simplificar y hacer más sencillo el estudio, vamos a representar a los átomos como si solo estuvieran compuestos de dos partes.

La primera la llamaremos "parte interna", y está compuesta por el núcleo y por todos los electrones de las órbitas internas. La segunda parte la forman los electrones de la órbita de valencia.

Por lo tanto, desde el punto de vista eléctrico, vamos a tratar el átomo como si solo estuviera formado de una parte interna por un lado y de los electrones de su órbita de valencia por el otro. Para aclararte un poco las ideas relativas a este concepto, consideremos en principio el átomo de cobre.

El átomo de cobre tiene un núcleo compuesto por 29 protones (+29). Girando a su alrededor, dicho núcleo tiene 29 electrones, 28 de los cuales pertenecen a órbitas internas, mientras que el electrón número 29 gira en solitario en la órbita de valencia.

En este caso particular, la que llamamos parte interna estará compuesta de los 28 electrones (-28) de las órbitas internas mas los 29 protones del núcleo (+29), quedando dicha parte interna con una carga neta positiva de +1 (29-28=+1), diferencia entre las cargas de los protones del núcleo y los electrones de las órbitas internas.

Alrededor de esta parte interna (+1) gira un solitario electrón (-1) con lo cual este átomo queda eléctricamente compensado. Por lo tanto, para referirnos al átomo de cobre hablaríamos de una parte interna con una carga de +1 y de un electrón girando a su alrededor con una carga opuesta de -1. Mira las ilustraciones que hemos adjuntado ya que una imagen vale más que mil palabras, y si haces clic sobre ellas se abrirán en una ventana de mayor tamaño.

Dicho sea de paso, al tener la parte interna una sola carga positiva, la atracción que experimenta el único electrón de valencia del cobre, el cual está bastante alejado del núcleo, es muy débil, por lo que facilmente puede escapar a su influencia mediante la aplicación de una pequeña fuerza de origen externo. De ahí que a este electrón se le llame "electrón libre".

Los mejores conductores conocidos, plata, oro y platino incluidos, tienen una parte interna con una carga de +1 similar a la del cobre.

Los átomos de los materiales semiconductores usados en la fabricación de diodos, transistores y circuitos integrados, como el germanio y el silicio, tienen una parte interna con una carga de +4. Por lo tanto ambos elementos, tanto el germanio como el silicio, tienen cuatro electrones (-4) en su órbita de valencia, lo que compensa la carga positiva de su parte interna. Mira la ilustración para hacerte una idea de esto.

Grábate bien esta idea en la mente, porque todo lo que viene a continuación está relacionado con esto último que te acabamos de transmitir.

CONDUCTORES, SEMICONDUCTORES Y AISLANTES
Eléctricamente hablando, según sea la conductividad de un elemento podemos clasificarlo como buen conductor, como aislante, o como semiconductor. Estos últimos tienen la particularidad de que ni son buenos conductores ni buenos aislantes. Podemos decir que se hallan en un término medio.

Por pura lógica, podríamos haber llegado a la conclusión de que si los mejores conductores tienen un solo electrón de valencia y los mejores aislantes tienen ocho, los semiconductores han de tener cuatro electrones en su última capa. Sin embargo, el elemento semiconductor mas usado hoy dia, el silicio, en estado puro y a cero grados Kelvin (-273,15º C), puede considerarse un aislante perfecto.

Para entender por qué ocurre esto, debemos sumergirnos en la estructura atómica de los materiales semiconductores. Los átomos de un cuerpo semiconductor en estado puro, están fuertemente enlazados entre sí por los llamados "enlaces covalentes". ¿De que se trata?.

Tanto el silicio como el germanio tienen 4 electrones de valencia. Sin embargo, y según hemos comentado ya, para poder disfrutar de una gran estabilidad química los átomos deben tener 8 electrones en su última capa.

No se sabe por qué, pero cuando por algún motivo un átomo consigue tener esos 8 electrones en su última capa, se convierte en un átomo estable que deja de tener apetencia por soltar o conseguir electrones. Se dice entonces que su órbita de valencia está saturada ya que, como sabemos por la lectura del artículo anterior, 8 es el máximo número de electrones que dicha capa puede contener.

Para poder conseguir esto último, los átomos que originalmente no disponen de esos 8 electrones en su órbita de valencia tienen una tendencia natural a compartir electrones con otros átomos, combinándose entre ellos con el propósito de lograrlo. El silicio y el germanio son dos buenos ejemplos de lo que decimos.

En la estructura del semiconductor, cada átomo se situa entre otros cuatro de manera que, compartiendo un electrón de valencia con cada átomo adyacente forman una red cristalina y consiguen llegar a tener esos 8 electrones en su última capa.

Fíjate bién en las ilustraciones para hacerte una idea de como se distribuyen los electrones de valencia entre los átomos del cristal semiconductor. Haz clic sobre ellas para abrirlas en otras ventanas mas grandes.

En los dibujos hemos representado la estructura atómica en solo dos dimensiones para simplificar y hacer más entendible el asunto. En realidad, los átomos forman conglomerados tetraédricos difíciles de representar gráficamente.

Hemos querido elaborar dos ilustraciones. La primera muestra una zona completa de átomos del material semiconductor puro. Se puede apreciar el entramado de su estructura cristalina.

En la segunda ilustración, para mayor claridad, hemos resaltado únicamente el átomo representado en el centro, con sus ocho electrones de valencia, cuatro de su propiedad y otros cuatro ajenos a él, uno por cada uno de los cuatro átomos que lo rodean.

Como hemos dicho antes, a la temperatura del cero absoluto (-273,15º C), sin ningún tipo de energía aplicada al cristal, el silicio es un aislante perfecto y su estructura cristalina no tiene electrones libres. Todos los electrones del elemento semiconductor están ligados a sus átomos mediante sus respectivas órbitas de valencia.

No obstante, conforme la temperatura va subiendo, la energía térmica del aire circundante hace que los átomos de silicio comiencen a vibrar. Cuanto más alta es la temperatura ambiente, más enérgicas son estas vibraciones. En realidad, cuando tocamos un objeto caliente la sensación de quemazón es consecuencia de la vibración de sus átomos.

En el silicio puro, las vibraciones de sus átomos debidas a la energía térmica hace que algunos electrones de valencia abandonen su órbita y se conviertan en electrones libres. Esto significa, en términos de bandas de energía, que esos pocos electrones saltan de la banda de valencia a la banda de conducción.

El hecho de que un electrón abandone el sitio que le corresponde dentro de la estructura cristalina y salte a la banda de conducción significa que deja un vacío, un espacio vacante en la banda de valencia. Ese vacío recibe el nombre de "hueco" y se va a comportar como si tuviera una carga positiva.

Efectivamente, la pérdida de un electrón hace que el átomo al que pertenecía se convierta en un ión positivo. El hueco creado atraerá a cualquier electrón que ronde por sus cercanías y lo capturará, colocándolo de nuevo en su órbita de valencia. Esto no ocurre en los materiales conductores y es lo que hace especiales a los semiconductores.

Por cada electrón que alcanza la banda de conducción se crea un hueco en la banda de valencia. Dicho de otro modo, cada electrón que abandona su órbita crea un hueco en la misma. Por esta razón, cuando esto ocurre se dice que se crea un "par electrón-hueco" en el semiconductor. De aquí se desprende que a temperatura ambiente en un semiconductor puro existen el mismo número de huecos que de electrones libres.

A temperatura ambiente solo hay en el cristal semiconductor puro algunos pares electrón-hueco, de manera que aunque ya puede decirse que conduce la corriente eléctrica no lo hace a los niveles de un buen conductor.

Conforme sube la temperatura, sube también la cantidad de pares electrón-hueco, por lo que tampoco en ese estado puede decirse que el cristal sea un aislante. Por esta razón estos materiales reciben el nombre de semiconductores.

Cuando de forma ocasional un electrón libre se situa en las inmediaciones de un hueco, éste último apresará al electrón y lo recuperará, colocándolo de nuevo en su órbita de valencia. Cuando esto ocurre se dice que se ha producido una recombinación. Esta recombinación produce una liberación de energía que se manifiesta en forma de luz y calor.

Después de todo lo dicho anteriormente, podemos afirmar que la diferencia existente entre un cuerpo aislante, un semiconductor y un buen conductor eléctrico radica en las muchas, pocas o nulas posibilidades que tienen los electrones de valencia de convertirse en electrones libres. Hablando en términos de niveles de energía, diríamos que todo depende de la diferencia energética existente entre la banda de valencia y la banda de conducción.

Para entender mejor esto hemos elaborado un gráfico en el que representamos los diferentes niveles de energía de cada una de las bandas. Observa como la separación o el vacío existente (banda prohibida) entre la banda de valencia y la banda de conducción es bastante más grande en los aislantes que en los semiconductores, y del todo inexistente en los buenos conductores.

Para que un electrón de la banda de valencia de un aislante pueda llegar a la banda de conducción habría que suministrarle una tremenda cantidad de energía. Si a un material de este tipo le conectamos una fuente de energía eléctrica los electrones de valencia se excitarán, pero la mayoría no conseguirán más que saltar de una órbita a otra del átomo y no podrán abandonar el sistema orbital del mismo.

La conductividad eléctrica en un aislante es muy reducida debido a la anchura de la banda prohibida. A pesar de aplicarle a un cuerpo aislante una tensión eléctrica más o menos elevada, solo una fracción insignificante de electrones conseguirán abandonar la banda de valencia y saltar a la banda de conducción.

Esto me recuerda al juego del martillo de feria ¿sabes a lo que me refiero?. Se trata de un poste más o menos alto acabado en una campana, y en cuya base hay una plataforma que hay que golpear lo más fuerte posible con un martillo o mazo.

La plataforma está conectada de alguna manera en uno de sus extremos a una bola metálica la cual, dirigida mediante un tubo o unos railes adecuados, sube hacia la campana impulsada por la fuerza del golpe. Si éste es lo suficientemente fuerte, la bola metálica podrá llegar a la campana y hacerla sonar, con lo que se gana el juego. Solo los más fuertes consiguen tocar la campana.

Algo parecido es lo que ocurre con los cuerpos aislantes. Para que los electrones lleguen a la banda de conducción hace falta aplicarles una tremenda cantidad de energía y, aún así, solo algunos conseguirán atravesar la banda prohibida.

No ocurre lo mismo con los semiconductores, los cuales disfrutan de una banda prohibida de menor amplitud que la de los aislantes, por lo que a través de ellos y a igualdad de tensión aplicada, circulará una intensidad de corriente más elevada.

Pero la palma se la llevan los buenos conductores en los que no solo no existe banda prohibida sino que, en algunos elementos y a temperatura ambiente, la banda de valencia llega incluso a solaparse con la de conducción, lo que indica la existencia de electrones libres de forma natural sin que dicho elemento tenga aplicada ningún tipo de energía eléctrica, sino gracias solo al calor circundante.

En estos últimos cuerpos, los buenos conductores, basta con la aplicación de pequeñas tensiones para conseguir intensidades de corriente apreciables.

DOS TIPOS DE CORRIENTES
En un trozo de material semiconductor 100% puro todos sus átomos sin excepción son del mismo tipo. Cuanto más alta es la temperatura ambiente, como ya hemos indicado, más se excitan sus átomos y más electrones logran escapar de su órbita.

Por cada electrón de la banda de valencia que logra alcanzar la banda de conducción se crea un hueco en su estructura cristalina debido a los enlaces covalentes. De ahí que se formen los ya mencionados "pares electrón-hueco". Para verlo mejor observa la figura siguiente.

El hecho de que existan portadores de carga positivos en la banda de valencia (los huecos) y portadores de carga negativos en la banda de conducción (los electrones), da lugar a dos tipos de corrientes que tenemos que saber diferenciar. Son las llamadas "corriente de electrones" y "corriente de huecos". Para poderlas apreciar mejor hemos elaborado una ilustración que nos gustaría compartir contigo.

Supongamos un trozo de cristal semiconductor puro al que hemos conectado una batería. En la banda de conducción, los electrones libres viajan hacia el polo positivo de la batería. Esta el la "corriente de electrones", la cual ya conocíamos porque es la misma que se manifiesta en los buenos conductores.

Pero existe otra corriente distinta a la anterior que en esta ocasión se produce únicamente en la banda de valencia del semiconductor. Resulta que muchos electrones de esta banda no tienen la energía suficiente para saltar a la banda de conducción. Sin embargo si que adquieren la energía necesaria para saltar a un hueco libre de otro átomo en la misma banda de valencia.

Para este último salto se necesita mucha menos energía que para el primero, ya que el electrón excitado solo cambia su posición a la órbita de valencia de otro átomo cercano, el cual tenía un hueco vacante, pero no sube a un nivel de energía superior como ocurre con los electrones libres.

Aunque esta corriente es producida por electrones en la banda de valencia, se le llama "corriente de huecos" con la finalidad de distinguirla de la corriente de electrones "libres" que se produce en la banda de conducción. Al moverse al hueco existente en la órbita de valencia de un átomo cercano el electrón deja un hueco en su propio átomo, con lo que puede decirse que el hueco ha cambiado de lugar, se ha movido en sentido contrario a como lo hacen los electrones.

Si nos fijamos en el dibujo, la tensión de la batería fuerza a los electrones, libres y de valencia, a moverse hacia la derecha mientras que los huecos de las órbitas de valencia lo hacen hacia la izquierda. Cuando un electrón llega al extremo derecho del cristal, sale de éste a través de la conexión y se dirige hacia el polo positivo de la batería.

Los electrones que salen del polo negativo de la batería entran en el cristal desde la izquierda. Unos lo harán como electrones libres y otros ocuparán los huecos vacios de las órbitas de valencia de aquellos átomos cercanos. Observa que éstos huecos vacantes dentro del cristal, al ser ocupados por los electrones que acaban de entrar, simplemente desaparecen.

Es decir, no existe corriente de huecos fuera del cristal semiconductor. Los huecos se crean y mueren dentro de la estructura cristalina. La corriente de huecos no existe en los conductores, como por ejemplo el cobre. En estos últimos solo se da la corriente de electrones libres en la banda de conducción.

SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS Y EXTRÍNSECOS
Hasta ahora hemos hablado de semiconductores puros. Como ya hemos apuntado, un semiconductor puro es aquel en el que todos y cada uno de sus átomos son del mismo elemento, por ejemplo de silicio. Los semiconductores puros reciben el nombre de "semiconductores intrínsecos".

Ya hemos dicho que, a bajas temperaturas, los semiconductores intrínsecos se comportan como aislantes. Sin embargo, para el uso que nosotros queremos darle necesitamos incrementar la conductividad del cristal semiconductor. Para ello, de alguna manera tenemos que aumentar el número de sus portadores de carga, bien sean los electrones o bien sean los huecos.

Esto se consigue mediante dopaje o dopado, que no se trata de otra cosa que contaminar la estructura del semiconductor intrínseco con átomos de ciertos elementos con características distintas a la del cristal original. A estos elementos se les denomina "impurezas".

Una vez que el cristal puro se ha dopado deja de ser un semiconductor intrínseco para convertirse en un "semiconductor extrínseco". Estas son simplemente formas de distinguir a uno y otro tipo de cristal semiconductor.

Por medio del dopado pueden obtenerse dos tipos diferentes de semiconductores extrínsecos, según nos interese obtener un incremento de los electrones libres o un incremento de los huecos.

Si queremos incrementar los electrones libres las impurezas que tenemos que usar han de ser pentavalentes, es decir, que dispongan de cinco electrones de valencia. Ejemplos de sustancias pentavalentes son el arsénico y el fósforo. Al cristal así obtenido se le conoce como semiconductor de tipo "N". Con la N se alude a la naturaleza negativa de este tipo de cristal al tener un exceso de electrones.

Si por el contrario lo que nos interesa es aumentar el número de huecos tendremos que contaminar el semiconductor intrínseco con impurezas trivalentes, o sea, que tengan solo tres electrones de valencia. Sustancias trivalentes son el boro y el galio. En este caso, al cristal se le denomina semiconductor de tipo "P", haciendo referencia con la P a su naturaleza positiva dado su exceso de huecos.

SEMICONDUCTORES DE TIPO "N"
Un semiconductor de tipo N tiene un exceso de electrones libres en su estructura atómica. Este exceso de electrones se debe al proceso de dopado a que ha sido sometido el semiconductor intrínseco mediante la adición de sustancias pentavalentes como el arsénico, fósforo, bismuto o antimonio.

Para ver esto con detalle, fíjate en la ilustración que hemos desarrollado. Vemos en ella como el cristal semiconductor acepta en su estructura al átomo de arsénico (por ejemplo) mediante los enlaces covalentes de cuatro de sus electrones de valencia, quedando un electrón libre por cada átomo de la impureza.

Este electrón extra, debido a la debilidad de su unión a la estructura de enlaces covalentes del semiconductor (algo parecido al electrón de conducción del átomo de cobre), llega a convertirse en un electrón libre dentro del cristal ya que no interviene en los enlaces mencionados.

Al ceder un electrón a la estructura atómica del semiconductor, a este tipo de impurezas pentavalentes se les conoce como impurezas donadoras, y a sus átomos como átomos donadores. Este electrón libre creado artificialmente no produce ningún hueco en los enlaces del cristal, ya que todos los que podrían ser huecos en la estructura están ocupados con sus respectivos electrones.

La cantidad de electrones libres que nos interese crear en la pieza del cristal semiconductor intrínseco podemos controlarla ajustando el número de átomos de la impureza que vayamos a agregarle.

Hemos de recordar que aunque el cristal sea de tipo N, debido a la energía térmica a que estará sometido se seguirán produciendo huecos, un hueco por cada par electrón-hueco generado por este motivo, aunque a temperatura ambiente y de forma muy contrastada en mucha menor cantidad que los electrones libres creados mediante el dopado.

Al haber muchos más electrones que huecos en un semiconductor de tipo N, a los primeros (electrones) se les llama portadores de carga mayoritarios y a los segundos (huecos) portadores de carga minoritarios.

Este detalle, el hecho de que en un semiconductor de tipo N sigan existiendo algunos huecos, deberemos de tenerlo muy en cuenta en lo sucesivo. Cuanto mayor sea la temperatura, mayor será el número de huecos que se creen en el cristal, y esto debemos controlarlo para que no se nos vaya de las manos.

SEMICONDUCTORES DE TIPO "P"
Un semiconductor de tipo P sería idéntico a uno de tipo N si no fuera porque la impureza agregada no es pentavalente sino trivalente. Es decir, el semiconductor de tipo P tiene un exceso de huecos debido a la contaminación por boro, galio o indio, elementos que solo tienen tres electrones en su órbita de valencia.

También aquí hemos adjuntado una ilustración para que lo veas claro. Observa en ella como en este caso el semiconductor intrínseco acepta en su estructura al átomo de galio (por ejemplo) mediante tres enlaces covalentes. Sin embargo, uno de los electrones de un átomo del semiconductor se queda "cojo" (valga la expresión) y no llega a enlazarse, por lo que se crea un hueco en su estructura debido a la impureza agregada.

El hueco vacante creado genera una tremenda atracción de aquellos electrones cercanos a él, para así alcanzar la estabilidad y poder completar el enlace covalente de la estructura cristalina. Por este motivo, se considera a los huecos como portadores con carga positiva.

Como los átomos de los elementos trivalentes generan huecos ávidos por captar electrones, a este tipo de impurezas se le conoce como impurezas receptoras, y a sus átomos como átomos receptores.

El hecho de haber creado artificialmente huecos en la estructura cristalina del semiconductor no implica que se hayan creado también electrones libres, es decir, que mediante este proceso se crean solo huecos y ni un solo electrón libre.

Tal y como ocurre en el cristal de tipo N, podemos controlar el número de huecos generados ajustando la cantidad de impurezas añadidas a la estructura del semiconductor intrínseco, obteniendo de esta manera el nivel de dopado que más nos interese.

También en este caso, la energía térmica influye en el semiconductor de tipo P produciendo pares electrón-hueco, por lo que siempre existirán en él algunos electrones libres, aunque en comparación con los huecos creados por el dopado y a temperatura ambiente su cantidad es insignificante, por lo que en un principio no suponen un problema.

No obstante, como ya hemos advertido en el caso del semicondutor de tipo N, cuanto mayor sea la temperatura mayor será el número de electrones creados, uno por cada par electrón-hueco, por lo que es importante tener esto presente a la hora de usar elementos semiconductores.

Por razones obvias, en el caso de los semiconductores de tipo P, a los huecos se les conoce como portadores de carga mayoritarios, mientras que los electrones ejercen el papel de portadores de carga minoritarios.

LA UNIÓN P-N
Supongamos que conectamos un trozo de material semiconductor extrínseco a una batería. La corriente en cada tipo de semiconductor (N o P) se establece mediante mecanismos distintos, tal y como hemos visto antes en el caso del semiconductor intrínseco solo que a niveles mucho más elevados dado el mayor número de portadores de carga.

Por ejemplo, en el semiconductor de tipo N la corriente obtenida es fruto casi exclusivamente del movimiento de los electrones libres en la banda de conducción, ya que dichos electrones son los portadores mayoritarios en ese tipo de cristal. En este caso los huecos practicamente no intervienen, o mejor dicho, lo hacen en una proporción insignificante.

Algo parecido, pero mediante portadores de carga distintos, ocurre en el caso del semiconductor de tipo P. En este tipo de cristal la corriente se establece casi de manera única por el desplazamiento relativo de huecos en la banda de valencia. Recordemos que lo que en realidad establece la corriente aquí son los electrones de valencia al desplazarse de átomo en átomo (no como electrones libres), lo que se asimila como un "desplazamiento de huecos". En este último caso prácticamente no existe corriente de electrones libres en la banda de conducción.

Ahora supongamos que cogemos un trozo rectangular de cristal puro y mediante técnicas especiales lo dopamos, mitad con impurezas donadoras y la otra mitad con impurezas receptoras. Obtenemos de esta manera un trozo de semiconductor extrínseco mitad tipo N y la otra mitad de tipo P. Mira la ilustración para que te quede claro lo que decimos.

En el momento en que ambos tipos de impurezas entran en contacto en el interior del semiconductor ocurre algo muy singular. Los electrones libres del cristal tipo N se difunden (se dispersan) hacia el cristal tipo P atraidos por los huecos positivos de este, y comienzan a ocupar dichos huecos nada más entrar en el cristal.

Tenemos que entender que cuando un electrón libre de la región N penetra en la región P se convierte en un portador minoritario que de pronto se encuentra rodeado de huecos por todos lados. Ese electrón no va a tardar mucho en recombinarse con uno de esos huecos (portadores mayoritarios en la región P). Es como si soltáramos un ratón en un criadero de gatos ¿cuanto tardaría el roedor en caer en la boca de alguno de los felinos?.

Debido a esta difusión comienzan a aparecer iones positivos en la parte N, ya que muchos átomos se quedan con un electrón de menos. Pero también aparecen iones negativos en la parte P debido a la llegada de electrones procedentes de la parte N, los cuales ocupan huecos vacantes en los átomos cercanos a la unión.

Pero esta "fuga" de electrones va perdiendo intensidad, ya que los iones creados en ambas partes del cristal establecen una diferencia de potencial interna que poco a poco va imponiendo su ley, presentando una oposición creciente al proceso de difusión por efecto del campo eléctrico generado.

Con cada electrón que cruza de la zona N a la zona P, el campo eléctrico va aumentando y cada vez empuja más a los electrones para que permanezcan en la región N de origen, hasta que por fín llega el equilibrio y el proceso finaliza. El campo eléctrico creado por los iones en ambas partes de la unión ha detenido la difusión de electrones.

Este campo eléctrico produce una diferencia de potencial interna en el cristal llamada "potencial de barrera". Con temperatura ambiente normal, el potencial de barrera creado es de aproximadamente 0,3 voltios para uniones de germanio y de 0,7 voltios para uniones de silicio.

La región próxima a la unión se queda prácticamente sin portadores de carga, ya que a causa de las contínuas recombinaciones casi no existen en ella ni electrones libres ni huecos. En contrapartida, predominan los iones positivos en la región N y los negativos en la región P. Debido a esto, esta zona se conoce como "región de empobrecimiento" o "zona de deplexión".

Hasta el momento, hemos supuesto que al semiconductor aún no se le ha aplicado voltaje alguno. Todo lo que hemos visto hasta ahora ha acontecido como resultado del proceso físico-químico de la formación de la unión PN. A partir del próximo artículo veremos como se comporta esta unión semiconductora cuando se le aplica una diferencia de potencial externa. Lo veremos aquí, en Radioelectronica.es. Te esperamos.

 
C O M E N T A R I O S   
felicitación y agradecimiento

#2 yaritza lopez » 11-04-2018 01:19

Excelente manera de explicar, de todos los sitios web que visite este fue el que mejor contenido y explicación tenia, agradecida con la información.

RE: Los semiconductores - La unión PN

#1 Sire » 30-08-2015 19:28

muy bueno

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