SEMICONDUCTORES 2

Articulo leído en el Programa Colombiano para Radioaficionadoes el 19 Octubre 2014.

En el articulo anterior tratamos lo que conocemos como un semiconductor que son pequeños pedazos de Germanio o Silicio puro al cual se le ha agregado pequeñas cantidades de una impureza por lo cual decimos que esta “dopado”. Dependiendo del material dopante tenemos semiconductores de tipo N o P.

En los semiconductores N el flujo de corriente eléctrica se realiza por electrones (de carga negativa de ahí su nombre N), en cambio en los semiconductores P el flujo se explica por flujo de lugares donde falta un electrón que simbólicamente se denominan “huecos” y simbólicamente son de carga positiva.

También se dice que un semiconductor tipo N es un “donante” de electrones mientras que un tipo P es un “receptor” de electrones.

Al principio se usó el Germanio como material semiconductor pero luego se migro al Silicio ya que este material es muchísimo mas abundante en la naturaleza que el Germanio. La arena es básicamente Silicio puro. Además los dispositivos hechos con Silicio son más estables con la temperatura que el Germanio.

En la actualidad casi la totalidad de los semiconductores son hechos de Silicio. En Estados Unidos cerca de San Francisco California hay un lugar en donde están concentrado la mayor cantidad de sedes de compañías dedicadas a la industria electrónica y se conoce como “Silcom Valley” en honor al Silicio que es el material que ha contribuido al éxito de la electrónica.

Cuando se junta un semiconductor P con otro N, decimos que se presenta una “barrera” en el punto de unión debido a la diferente manera de conducir electricidad. Si nosotros conectamos la unión NP a una fuente de electricidad de manera que el polo positivo de la fuente al material P y el negativo al material N entonces va a ver un paso de corriente a través de la barrera, en cambio si la polarización es inversa no habrá paso de corriente por la barrera.

Un dispositivo hecho por la unión de un semiconductor P con otro N constituye un “Diodo Semiconductor” con propiedades similares al Diodo de tubos electrónicos y puede ser usados para rectificar corrientes alternas.

También podemos combinar tres elementos semiconductores de la forma PNP o NPN las cuales presentan dos junturas o uniones de material diferente.  Esta combinación se conoce con el nombre de “Transistor”. Su nombre es derivado del inglés “transfer resistor” resistencia de transferencia debido a la forma en que los diseñadores de este elemento trataron de explicar su funcionamiento.

En la combinación de tres elementos cada uno se llama “Emisor” “Colector” y “Base”. La Base siempre es el material del medio de tipo diferente a los otros dos.  Podemos decir que hay dos junturas o uniones, la Base Emisor y la Base Colector, similares a diodos semiconductores.

En los Transistores la juntura Base-Emisor (que en la práctica es un diodo) se polariza en el sentido que pase la corriente o como decimos en sentido directo. Es decir la Base es positiva en los transistores NPN y Base negativa en los PNP.

El Colector se polariza con el mismo símbolo que la Base pero con una tensión (voltaje) superior a la base. El voltaje se suministra entre Emisor y Colector.

En principio, si por la juntura Emisor Base no hay circulación de corriente o muy devil, entonces no hay  corriente entre Emisor y Colector porque existe una doble barrera: Emisor-Base y Base-Colector.

Ahora bien, si nosotros propiciamos una circulación de corriente entre Emisor y Base, las cargas eléctricas que pasan por la Base pueden tener suficiente energía para sobrepasar la barrera existente entre Base-Colector y serán atraídos hacia el Colector ya que tiene una mayor tensión o voltaje que la Base. El resultado es una mayor o menor circulación de corriente entre Emisor-Colector dependiendo de la mayor o menor conducción de corriente entre Emisor-Base. Es decir que regulando el flujo de corriente entre Emisor-Base podemos controlar el flujo de corriente entre Emisor-Colector.

Como las tensiones aplicadas entre Emisor-Base son menores a las aplicadas a Emisor-Colector tendremos que una pequeña corriente puede controlar el flujo de una mayor corriente lo que significa una “amplificación” que es básicamente la aplicación de un transistor. Una pequeña energía controla una energía superior.

Los primeros transistores eran hechos utilizando un pedazo de semiconductor tipo N  que constituía la Base y al cual le colocaban dos alambres que tocaban la base pero ligeramente separados. En la fabricación a los alambres se le aplicaba una sobre-tensión que producía un recalentamiento del punto de contacto con la base provocando que átomos de los alambres penetraran en la base creando zonas de semiconductor tipo P. El resultado era un transistor tipo PNP.  Estos transistores son conocidos con el nombre de Transistores de Contacto, fueron los primeros producidos, son difíciles de producir y poco eficientes por lo que su producción prácticamente ha desaparecido.

Actualmente se producen transistores utilizando una superficie de silicio puro y en puntos específicos se dopan con impurezas para producir zonas de tipo P o N. Si tres zonas consecutivas se dopan como PNP o NPN producen un transistor.  Esta técnica permite que sobre una misma superficie de silicio llamada “pastilla” se puedan producir varios transistores.

La técnica se ha desarrollado logrando una elevada precisión de las zonas a dopar que en la actualidad se pueden crear millones de transistores en una superficie no mayor a 1 centímetro cuadrado, lo que constituye los actuales Circuitos Integrados.

El desarrollo de los transistores produjo otro tipo de transistor con una arquitectura diferente a la tipo PNP o NPN.  Consiste en una barra de material semiconductor N o P. En la mitad de la barra se crea una zona de tipo contrario a la barra creando una juntura no tan extensa que permita la continuidad entre los dos extremos de la barra.  Es decir la juntura es como una zona de estrangulamiento de la barra.

Los dos extremos de la barra se alimentan con corriente eléctrica y habrá sierto flujo de electricidad. Los extremos de la barra se denominan “Surce” Fuente y “Drain” Drenaje. La juntura se conoce como “Gate” Puerta.  El “puerta” se polariza respecto a la “fuente” en sentido de no conducción.

Ahora bien, la corriente que pasa de Fuente a Drenaje pasa por la extrangulacion de la compuerta.  El área de estrangulamiento puede ser alterada por la mayor o menor voltaje que se aplique a la Puerta lográndose controlar el paso de corriente Fuente-drenaje dependiendo del efecto del voltaje sobre la Puerta. Estos transistores se conocen como “transistores de efecto de campo” o FET por sus siglas en ingles de Field Efect Transistor.

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