¡Hola futuro colega!

Hoy vamos a conversar un poco sobre los principios físicos de la electrónica moderna, y es que todo se lo debemos al conflicto de identidad del material semiconductor.

Para entender sobre semiconductores, habrás de tener claros los siguientes conceptos previos: estructura atómica, numero atómico, capas de valencia y enlaces covalentes, si no es el caso, apuntalo por ahí que ya sabes que tienes que buscarlo luego.

Empezamos.


 

Someramente, lo primero que vamos a decirte de un semiconductor es que se trata de un material que cuando estaba conformándose en la naturaleza no sabía que quería ser, así como tú que de chico seguramente querías ser veterinario, astronauta o músico y ahora estás estudiando ingeniería.

Entonces, el semiconductor no sabía si quería ser aislante o conductor y se decidió por ser un poquito de ambos.

Sí, como lo lees un tipo de material que está en el medio de dos características totalmente antagónicas.

 Y a ver ¿esto cómo es posible?

La estructura típica de un semiconductor viene dada por una capa de valencia que no se ha llenado y generalmente estos materiales poseen de 2 a 6 electrones en dicha capa.

Es justo esta característica lo que les permite mantener su conflicto de identidad a menos que sean sometidos a ciertas condiciones extremas que permitan definirlos y así reconfigurar sus propiedades, algo parecido a Uma Thurman en Kill Bill.

Las condiciones extremas para que esta situación ocurra, serían temperaturas extremas, radiación, cambios de campo magnético, altas presiones, entre otros, es decir: Paliza pareja.

Los elementos semiconductores por naturaleza son Cadmio, aluminio, galio, boro, indio, silicio, carbono, germanio, fosforo, arsénico, antimonio, Selenio, teluro y azufre.

 

Y pues ahí ya vienen las preguntas, si son tantos ¿por qué solo siempre hablan de silicio?

Muy sencillo es abundante, barato, y fácil de encontrar y es un semiconductor puro o intrínseco.

Y Sí, ya empezamos con los términos rebuscados, intrínseco significa que no depende de las circunstancias, entonces el silicio, germanio y carbono son semiconductores intrínsecos. En cristiano sencillo, esta es la realeza de los indefinidos.

Estos tres señores tienen 4 electrones en su capa de valencia, pero por lo que ya dijimos sobre la popularidad del silicio, si se tratase de un reinado el silicio tendría la corona y el germanio seria primera finalista, más atrás estaría llorando el carbono porque su estructura cristalina varía de acuerdo a sus alótropos.

En cristiano sencillo, la estructura del carbono es irregular y además condiciona una elevada banda prohibida por lo que resulta costoso de emplear para aplicaciones de la electrónica, exceptuando a su alótropo: “el grafeno”, pero de eso podemos hablar más adelante.

Imaginemos entonces una estructura de un semiconductor intrínseco.

Como este átomo solo posee 4 electrones en su última capa de valencia solo le faltará la mitad para estar balanceado (de acuerdo con la regla del octeto de lewis) pero a causa de su baja electronegatividad solo es capaz de constituir enlaces covalentes.

Ahora miremos esto, la estructura cristalina, este tejido de átomos que solo están conectados por medio de este emparejamiento covalente que podría considerarse débil, tiene todos sus átomos balanceados con justo 8 electrones en su última capa de valencia, lo que le confiere la cualidad de aislante perfecto.

 

¿y Por qué?

Pues muy simple, no tiene un solo electrón libre, y para lograr un electrón libre a esta configuración será necesaria la chispa sagrada de los autobots para que apenas logres liberar a alguno.

Ahora, como imaginarás, sí, al sumar temperatura, MUCHA temperatura, logramos obtener una fiesta cinética, los electrones de la red cristalina comienzan a ganar energía y algunos pocos rompen sus enlaces covalentes. Muy parecido a lo que pasa cuando sacan la botella de tequila en las fiestas y le sueltas la mano a tu novio o novia.

En esta situación, este electrón que se fue a paseo deja un espacio libre, que conocemos como “hueco”, (sí, no hubo mucha creatividad para darle nombre) pero este hueco tiene un efecto similar al de una carga positiva, y puede ser fácilmente llenado con cualquier otro electrón de las adyacencias. Si se parece a las fiestas con tequila pues es mera coincidencia ¿estamos?

Continuemos con las conjeturas, ahora imaginemos que esta estructura que ha perdido algún electrón por subidones de temperatura, ahora está sometida a una excitación eléctrica.

En mundano, esto quiere decir que habrá un flujo de electrones y que por tanto ese espacio libre que conocemos como hueco será ocupado creándose un fenómeno conocido como “recombinación”, que no es más que la ocupación del hueco por algún electrón que le sea más fácil de atraer por condiciones de energía.

Entonces, al ocurrir esto, la estructura cristalina vuelve a quedar sin huecos y sin electrones libres, volviendo a ser el aburrido aislante perfecto en condiciones “normales”, como seria el caso del germanio y el silicio.

Ahora, otra de las razones por las que el silicio es el rey, es porque aguanta mucha más temperatura que el germanio antes de comenzar a liberar electrones de valencia, por lo que es el favorito para ser el sonsacado.

 

Y sí, ¿qué quiero decir con esto?.

Para que quede en claro partiré de un ejemplo de la vida cotidiana, todos hemos tenido un colega santo que dice que no le gustan las fiestas ni las bebidas pero que cuando empieza a beber no puede parar y se transforma. Algo parecido le pasa al Silicio cuando es “dopado”, dando lugar a su alterego, “el semiconductor extrínseco”

El dopado consiste en un proceso controlado en el que se adicionan determinadas impurezas a la red cristalina para conferirle ciertas propiedades conductivas ó aislantes a nuestro amigo semiconductor, pero ¿sabes?, dependiendo del tipo de conducción se determinará el tipo de impureza.

¿Qué quiero decir con el tipo de conducción?

Primero recordemos que conducción eléctrica se refiere a la movilidad de “portadores”, por excelencia nos hacen creer de niños que la conducción solo se da por movilidad de electrones, eso técnicamente, no es del todo cierto, también se da por movilidad de huecos. Siendo los electrones los portadores negativos y los huecos los portadores positivos.

Entonces, dependiendo de las impurezas a adicionar podremos tener semiconductores extrínsecos tipo p, o semiconductores extrínsecos tipo n.

El caso de los tipo p, esta dado por movilidad de huecos que serian los portadores positivos, por ello tipo p, de positivo (una vez más, no hubo demasiada creatividad en los nombres)

Y el caso de los tipo n, esta dado por la movilidad de electrones, que serían los portadores negativos, y por ello el nombre de tipo n, de negativo.

Ahora pensemos, si mi red cristalina pura, intrínseca, no da lugar a más recombinaciones, ¿Cómo pudieron lograr conductividad por huecos o por electrones?

Bien, volvamos de nuevo a la estructura cristalina intrínseca, y consideremos que queremos conductividad por electrones, para ello hay que garantizar algún electrón móvil, por lo que la impureza que se adicione deberá garantizar un electrón libre.

A este tipo de impureza se le conoce como impureza donadora y por excelencia esto se logra con elementos pentavalentes como fosforo, arsénico y antimonio.

Entonces, saquemos la cuenta, nuestro amigo silicio tiene solo 4 electrones de valencia, y los pentavalentes, solo 5 electrones de valencia, por lo que al enlazarse sus átomos sobrará un electrón, creándose una red cristalina en la que los electrones son mayoritarios con lo que está garantizada la conductividad tipo n.

Ahora supongamos que queremos que la conductividad sea por portadores positivos, los huecos, para ello la impureza elegida debe garantizar un hueco libre, por lo que se conoce como impureza aceptora, porque va a permitir la aceptación de electrones libres.

Las impurezas aceptoras son semiconductores que tienen 3 electrones de valencia como es el caso del boro, aluminio, galio e indio. Una vez más, sacando la cuenta, al enlazarse los 4 electrones de silicio con los 3 electrones de cualquiera de las impurezas mencionadas, quedará un hueco en la estructura.

Te preguntarás, ¿Cómo se mueve un hueco?

Pues el hueco no se mueve, se mueve el electrón, el hueco es un portador virtual, pero debido a que en los semiconductores tipo p, la cantidad de huecos es mucho mayor que la cantidad de electrones, los electrones andarán recombinándose según las condiciones de energía de un hueco al siguiente.

Por ello da la impresión de que son los huecos quienes se mueven. Y aquí esta la cachetada de realidad, gracias amiga ciencia.

 Y ahora llegamos al punto clásico, “muy bien, ya tenemos semiconductores y ¿ahora qué?”

Pues primero, a entender cómo funcionan ahora.

Imaginemos que tomamos a un semiconductor tipo n y lo energizamos, al cabo de un tiempo se va a comportar como un semiconductor intrínseco.

Sí, el mismo efecto de tomar a tu amigo santurrón después de la noche de tequila y bajarle la borrachera a fuerza de café y ducha fría, vuelve a comportarse como el santurrón, solo que ahora ya conocemos su verdadera personalidad.

En el caso del semiconductor tipo n al estar conectado a una fuente eléctrica, tendremos que todos los electrones libres se verán atraídos por la terminal positiva, mientras que los pocos huecos que tiene se verán atraídos por la terminal negativa.

Cuando el flujo de electrones que viene de la fuente atraviesa al semiconductor tipo n habrá recombinación, llenándose los huecos libres por lo que no habrá más espacio para nuevos electrones libres aumentando su impedancia por lo que se comportará como el perfecto aislante que era antes de ser dopado.

El caso del semiconductor tipo p al ser alimentado por una fuente eléctrica, es todo lo contrario, al tener mayoritariamente huecos permitirá paso la corriente eléctrica, por lo que su conductividad es mucho más alta y no se aísla como el tipo n.

Es el típico caso del amigo santurrón que después de su primera noche de fiesta no puede parar. Mientras que el tipo n, sería como el caso del santurrón que se arrepiente.

Bueno lo típico, alguien se preguntó en algún momento ¿Qué pasa si juntamos un tipo p con un tipo n?

Pues es obvio que tenemos la ventaja del perfecto aislante y el perfecto conductor, y ahí es que nace la juntura P-N que da origen  a la electrónica moderna dando nacimiento al diodo, transistores, amplificadores operacionales y todo lo que hoy conocemos de esta área.

En un siguiente post hablaremos de cómo funcionan estas junturas y de porqué creemos que salvarán al mundo.

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¡Nos leemos pronto!