SEMICONDUCTORES

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SEMICONDUCTORES

El tema de hoy son los “semiconductores”, un material que se utiliza extensamente para construir componentes electrónicos.

Nosotros conocemos la existencia de buenos conductores de la electricidad como son casi todos los metales y otros que son malos conductores y que llamamos aisladores como el vidrio, la cerámica, los plásticos, etc. Entonces semiconductores son elementos que tendrían un comportamiento “similar” a conductores y en general se refiere a los elementos “Silicio” y “Germanio” que bajo ciertas circunstancias se comportan como conductores con ciertas características especiales.

Para tratar de explicar el tema debemos recordar que en la naturaleza existen 92 elementos simples que se caracterizan por tener un número dado de protones e igual número de electrones en su átomo. El número de electrones se conoce como el número atómico del elemento.  Según las teorías de la física los electrones giran alrededor de un núcleo donde se encuentran concentrados los protones (y neutrones).  Los electrones se concentran en capas y la capa más externa solo puede tener un máximo de 8 electrones.

Si dividimos el número atómico en 8, el remanente es el número de electrones que existen en la última capa. Esto nos permite agrupar todos los elementos en 8 grupos ya que el número de electrones de la última capa permite explicar su comportamiento químico y eléctrico. Esta clasificación en 8 grupos es la base de la “tabla periódica de los elementos” de Mendeleyev que estudiamos en nuestros cursos de Química en el colegio.

Los elementos que tienen 1, 2 o 3 electrones en su capa externa los pueden perder fácilmente, son los metales y su fácil movimiento de electrones explica por qué son buenos conductores de electricidad. En cambio los que tiene 5, 6 o 7 electrones se conocen como metaloides y tiene la tendencia a ganar electrones para completar su última capa por lo cual interactúan rápidamente con los metales que son donadores de electrones para crear moléculas compuestas. El estudio de estas reacciones son el campo de la química y el número de electrones libres o faltantes constituye la “valencia”.

Los elementos que tiene 8 electrones en su última capa, la tienen saturada, y son químicamente neutros y se conocen como Halógenos.

Nos quedan los elementos que tienen 4 electrones en su última capa, ellos pueden donar o recibir 4 electrones indistintamente lo cual le da unas características especiales. Los principales elementos del grupo 4 son el Carbón, Silicio y Germanio. Estos elementos en estado puro tienden a formar moléculas grandes  uniendo muchos átomos de su mismo tipo con 4 enlaces covalentes. En el caso del Carbón, sus grandes moléculas en el componente de todos los seres vivos. El Silicio y el Germanio han permitido aprovechar sus cualidades para desarrollar los “Semiconductores” que ha permitido el avance de la electrónica.

En condiciones normales un pedazo de Silicio o Germanio puro esta agrupado en moléculas con todos sus enlaces covalente ocupados y sin electrones libres por lo cual es un material aislante, mal conductor de la electricidad.  Recuerden que el vidrio es básicamente Silicio puro y es un excelente aislante.

Pero, si al pedazo de Silicio o Germanio puro, le agregamos pequeñísimas cantidades de otro elemento decimos que le  adicionamos una “impureza” y el nuevo material con la impureza decimos que esta “dopado”.

Si la impureza es un componente del grupo 5, (5 electrones en su última capa) como es el Fosforo, Arsénico o Antimonio, entonces el nuevo componente reemplaza los cuatro enlaces con los átomos de silicio o germanio cercanos pero un electrón queda libre permitiendo la circulación de corriente, es decir se vuelve conductor.

El silicio o germanio “dopado” con elementos del grupo 5 se vuelve conductor por movimientos de electrones que son cargas negativas y esto se conoce como un “Semiconductor” tipo N.

En cambio sí al Silicio o Germanio puro lo dopamos con elementos del grupo 3 (3 electrones en su última capa) , las nuevas moléculas quedan con un faltante de un electrón que vamos a llamarlo un “hueco”. Si algún electrón se mueve a ocupar el “hueco”, lo tapa pero genera un “hueco” donde él estaba, si este nuevo hueco es tapado es a costa de otro hueco generado, etc. Podemos pensar que el desplazamiento de los electrones genera un avance del hueco en dirección opuesta al movimiento de electrones.

Un “hueco” es la ausencia de un electrón por lo tanto un hueco tiene carga positiva. Un material dopado con elementos del grupo 3 se produce un flujo de “huecos” de carga positiva lo que representa una corriente, por lo tanto un dopaje de este tipo produce un buen conductor de electricidad por cargas positivas y el material se denomina “Semiconductor tipo P”.

En resumen: Un pedazo puro de Silicio o Germanio lo convertimos en un buen conductor si lo dopamos con elementos del grupo 5 o 3 creando Semiconductores de tipo P o N,

Lo interesante se presenta cuando un semiconductor de tipo N se pone en contacto con un semiconductor de tipo P.  En el punto de contacto podemos decir que existe una “barrera”  u obstáculo ya que en un lado hay electrones libres y en los otros huecos libres.

Si a una unión NP le aplicamos una corriente eléctrica de manera que el polo positivo se conecta al semiconductor P y el polo negativo al semiconductor N se produce el siguiente efecto: El potencial positivo en el lado P va a rechazar sus huecos hacia la barrera de la unión con suficiente energía para pasen a través de la barrera, a su ve los electrones del nado N serán rechazado por el potencial negativo forzándolos a pasar la barrera. Esto significa un doble paso de huecos y electrones por la barrera lo que es lo mismo a un paso de corriente eléctrica por la barrera o juntura de semiconductor N y P.

En cambio sí polarizamos una unión NP con potencial positivo en el semiconductor N y negativo en el P el efecto es que el potencian positivo del materia N causa una atracción de sus electrones alejándolos de la barrera y el potencial negativo en el material P mueve sus huecos alejándolos de la barrera, el resultado es ningún flujo de cargas eléctricas por la barrera y la unión se volvió un aislante.

Resumiendo, una unión de material semiconductor N con P conduce corriente si se polariza negativo en N y positivo en P y no conduce corriente si se polariza contrario: Positivo en N y negativo en P.

Un componente formado por una unión de material semiconductor N con otro P constituye un DIODO ya que tiene las mismas características de un diodo de un tubo electrónico con algunas ventajas sobre el tubo ya que no necesita un filamento que caliente los electrones y de más fácil construcción ya que no utiliza partes móviles.

La siguiente complejidad es hacer una unión de tres elementos semiconductores lo que nos da 2 configuraciones: unión NPN o unión PNP. La unión de tres elementos constituyen un TRANSISTOR que los hay de dos tipos PNP o NPN. Debido a la complejidad del funcionamiento de la unión de tres elementos y su importancia de los TRANSISTORES dejamos el tema para tratarlo en un próximo artículo.

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