¿Qué son y como funcionan los semiconductores?

Los semiconductores han tenido un impacto monumental en nuestra sociedad. Puedes encontrar semiconductores en el corazón en los microprocesadores, como también en los transistores. Cualquier cosa que esté computerizado o usa ondas de radio, depende de los semiconductores. Hoy en día, muchos chips semiconductores y transistores son creados con silicona, y de hecho se puede considerar que la silicona es el núcleo de cualquier dispositivo electrónico.

El diodo es el dispositivo  semiconductor más simple posible, y por ello es un buen punto para empezar su quieres entender como trabajan los semiconductores. Aprenderemos en esta guía qué es un semiconductor, y como se puede crear un diodo utilizando semiconductores. Pero primero veremos algo más sobre la silicona.

La silicona es un elemento muy común – por ejemplo es el principal elemento de la arena y el cuarzo. Si miras una tabla periódica, verás que está junto al aluminio, debajo del carbón y por encima del germanio. El carbón, la silicona y el germanio, tienen una propiedad única en su estructura de electrones – cada una tiene cuatro electrones es su órbita externa.

Esto les permite formar cristales. Estos cuatro electrones forman ataduras con cuatro átomos vecinos, creando una celosía o rejillas. En el carbón, conocemos esta forma entrelazada como diamante. En la silicona, la forma cristalina es una sustancia plateada y con aspecto metálico.

El metal tiende a ser un buen conductor de la electricidad porque usualmente tienen electrones “libres” que se pueden mover fácilmente entre átomos, y la electricidad significa el flujo de electrones.

Mientras los cristales de silicona parecen metálicos, no los son. Todos los electrones externos en un cristal de silicona están relacionados en perfectas ataduras covalentes, por lo que se pueden desplazar. En un cristal puro de silicona, muy poca electricidad fluirá a través de el, por lo que se considera un buen aislante. Esto se puede cambiar por medio de un proceso llamado “doping”.

Proceso doping en la silicona

Puedes cambiar el comportamiento de la silicona y convertirlo en un conductor por medio de doping. Con este método, se mezcla una pequeña cantidad de impurezas dentro de un cristal de silicona. Hay dos tipos de impurezas:

• Tipo N – En este tipo, fósforo o arsénico es añadido a la silicona en pequeñas cantidades. Cada una de estas sustancias tiene cuatro electrones externos, por lo que están fuera de lugar cuando se introducen en la rejilla de silicona. El quinto electrón no tiene nada con lo que atarse, por lo que es libre para moverse. Se necesita poca cantidad de impurezas para crear suficientes electrones libres para permitir una corriente fluir por la silicona. La silicona de tipo N es un buen conductor. Los electrones tienen una carga negativa, y de ahí viene su nombre.
• Tipo P – En este tipo de doping, el boro y el galio es el elemento insertado. Solo tienen tres electrones externos, y cuando se mezclan con la silicona forman hoyos en la rejilla, donde un electrón de silicona no tiene donde agarrarse. La ausencia de un electrón crea el efecto de una carga positiva, y por eso su nombre. Uno de estos hoyos puede aceptar electrones de un vecino, moviendo el hoyo un espacio. El tipo P es un buen conductor.

Cualquiera de estos dos métodos explicados convierte un cristal de silicona, de un aislante, en un conductor aceptable, aunque no de los mejores, y por eso se le llama semiconductor. Los tipos N y P no son increíbles por si mismos, pero cuando los pones juntos, puedes conseguir un comportamiento interesante como resultado de la unión. Esto lo convierte en un diodo.

Los diodos

Como se ha dicho, un diodo es el semiconductor más simple que podemos imaginar. Un diodo permite la corriente en una dirección pero no en la otra. Habrás visto los torniquetes del metro o de un estadio, que permiten a la gente ir solo en una dirección. 

Un diodo en un torniquete de una dirección para los electrones. Cuando pones los tipos N y P juntos, y conectado cada uno de ellos a una batería, se consigue un fenómeno que le da al diodo sus propiedades únicas.

Aunque la silicona del tipo N por si misma es un conductor, y lo mismo le ocurre al tipo P, la combinación de ambos no conduce ninguna electricidad. Los electrones negativos en la silicona del tipo N queda atraída al terminal positivo de la batería.

Los hoyos positivos en la silicona del tipo P quedan atraídos a los terminales negativos de la batería. No hay corrientes por la unión porque los hoyos y los electrones se están moviendo en la dirección equivocada.

Si cambias el sentido de la batería, el conduce la electricidad correctamente. Los electrones libres en la silicona del tipo N son repelidos por los terminales negativos de la batería, y los hoyos del tipo P son repelidos por los terminales positivos.

En la unión de los tipos N y P, los hoyos y los electrones libres se encuentran, y los electrones llena los hoyos. Los hoyos y electrones libres dejan de existir y nuevos hoyos y electrones aparecen para coger sitio. El efecto, es el flujo de corriente por la unción de ambos elementos.