Sin él, no existirían las computadoras, los teléfonos inteligentes ni las ondas de radio. Los semiconductores son el motor oculto de la sociedad moderna. Están ubicados en el corazón del microprocesador y controlan todos los transistores del dispositivo. Cuando las máquinas calculan o transmiten señales, dependen de estos materiales para funcionar.
La mayoría de los chips que ves hoy están construidos con silicio. Es por eso que términos como “Silicon Valley” dominan las noticias de negocios. Esta área no lleva el nombre de una startup tecnológica. Lleva el nombre de su fuente de energía. El silicio es la base de la industria electrónica. Sin él, no habría una “economía del silicio”.
Comprender los conceptos básicos de los diodos.
Para entender cómo funcionan los semiconductores, hay que empezar con algo sencillo. Un Diodo es el dispositivo semiconductor más simple. Este es un excelente punto de partida para aprender los conceptos básicos. En esta guía, veremos más de cerca qué son exactamente los semiconductores. Descubra cómo el dopaje cambia las propiedades de un material. También analizamos cómo los ingenieros utilizan estos principios para crear diodos.
Pero antes de observar más de cerca cómo funcionan los diodos, debemos observar más de cerca el material en sí. silicio.
Mucho silicio
El silicio no es infrecuente. Está en todas partes. Si alguna vez caminaste por la playa o miraste un cristal, lo has visto. La arena y el cuarzo se fabrican principalmente a partir de silicio.
El silicio ocupa un lugar especial en la tabla periódica de elementos. Está al lado del aluminio. Se encuentra debajo del carbono. Se encuentra por encima del germanio. Esta posición en la jerarquía elemental confiere al silicio sus propiedades eléctricas únicas. Comprender su lugar en la mesa ayuda a explicar por qué se ha convertido en un material básico en electrónica.
Cimentación reticular de semiconductores
El carbono, el silicio y el germanio tienen propiedades especiales en su configuración electrónica. Cada elemento tiene 4 electrones en su órbita exterior. Esto no es sólo un pequeño detalle. La capacidad de formar estructuras repetitivas estables impulsa su capacidad de formar estructuras repetitivas estables.
Estos cuatro electrones de valencia están unidos covalentemente a cuatro átomos vecinos. El resultado es una rejilla rígida. Piense en ello como una red molecular. La estructura se conserva porque se satisfacen todos los vínculos.
En carbono, esta red parece un diamante. Duro. Transparente. Valioso.
El silicio toma un giro visual diferente. Su forma cristalina parece metálica. Tiene un brillo plateado. Sin embargo, a diferencia del cobre o el hierro, es un semiconductor. En este sentido, el germanio se comporta de manera similar al silicio. Se encuentra en el mismo grupo en la tabla periódica. También tiene esos cuatro electrones externos. Debido a esta característica común, estos dos materiales son la columna vertebral de la electrónica moderna.
La configuración de cuatro electrones es la clave. Ahora es posible el enlace covalente y se forma una estructura reticular completa.
Esta celosía no es sólo bonita. Es práctico. Determina cómo estos materiales conducen la electricidad. Sin esta configuración especial de cuatro electrones, la estructura cristalina puede colapsar o comportarse de manera impredecible. Esta estabilidad ha convertido al silicio en el estándar para los chips de computadora.
Los metales conducen la electricidad a través de electrones libres. Saltan fácilmente entre átomos. El silicio parece metal. Brilla. refleja la luz. Pero no es el único.
En un cristal de silicio puro, todos los electrones externos están cerrados en enlaces covalentes completos. no pueden moverse. ¿resultado? Aislamiento casi perfecto. Tráfico cero.
ya no.
El piidoping lo cambia todo
No cambia la estructura del silicio. Cambias la química. Contiene impurezas.
Este proceso se llama dopaje. Convierte un aislante en un semiconductor. Es un director de orquesta, pero no un gran director. Eso servirá.
Hay dos formas de agregar silicio. Son de tipo N y de tipo P.
Dopaje tipo N: electrones libres
El dopaje de tipo N utiliza elementos con cinco electrones externos. Lin. arsénico.
Hay cuatro tipos de silicio.
Cuando el fósforo ingresa a la red cristalina, cuatro electrones se unen. ¿Es el quinto? No tengo pareja. Flota libremente.
Incluso una pequeña cantidad de electrones puede producir suficientes electrones libres para conducir electricidad. Los electrones están cargados negativamente. Entonces es tipo N.
Dopaje tipo P: crea una brecha.
El dopaje tipo P cambia el guión. Utilice boro o galio.
Estos elementos tienen sólo tres electrones externos.
Cuando encajan dentro de la jaula de silicona, quedan huecos. “agujero”.
Los electrones de un vecino se deslizan y lo llenan. El agujero se está moviendo. Actúa como una carga positiva. Entonces es un tipo P.
Pequeñas cantidades de cualquiera de los aditivos transforman el silicio de un aislante a un conductor utilizable.
Cruce: donde ocurre la magia
¿Quiere distinguir entre silicio tipo N y tipo P? Aburrido.
Por favor combínalos.
Algo curioso sucedió en la intersección. Este es el corazón del diodo.
Un diodo es el dispositivo semiconductor más simple. Permite que la corriente fluya en una dirección. Sólo hay una cosa.
Piense en el torniquete de un estadio. Una vez que una persona pisa un camino, no puede regresar al mismo camino. Un diodo es una puerta electrónica unidireccional.
La combinación de silicio tipo N y tipo P crea una barrera. La electricidad fluye fácilmente en una dirección. Bloquea al otro por completo.
Este comportamiento único no es sólo teórico. Es la base de la electrónica moderna. Nada funciona sin este cruce.
El silicio dopado con fósforo crea una capa de tipo N. El silicio dopado con boro crea una capa tipo P. Ambos materiales conducen la electricidad por sí solos. Júntelos en la configuración que se muestra en el diagrama y no sucederá nada. El circuito está muerto.
La razón radica en cómo se conecta la fuente de alimentación. Si conecta la batería de modo que el terminal negativo mire hacia el lado tipo N, los electrones se alejan de la unión. Al mismo tiempo, el terminal positivo aleja los orificios del lado tipo P del centro. Se mueven en direcciones opuestas, alejándose unos de otros. Ninguna corriente cruza la brecha. El diodo bloquea el flujo.
Invertir la polaridad
Voltee la batería. Ahora la configuración cambia por completo.
El terminal negativo repele los electrones libres del silicio tipo N, empujándolos hacia la unión. El terminal positivo repele los agujeros del silicio tipo P, empujándolos hacia el mismo punto de encuentro. Chocan. Los electrones llenan los huecos. Se anulan mutuamente.
Esto ya no es un bloqueo estático. Es un flujo dinámico. A medida que los electrones llenan los huecos en la unión, se generan nuevos huecos y electrones en los bordes exteriores para reemplazarlos. La corriente fluye a través de la unión. El diodo deja pasar la electricidad.
Diodos y transistores
Este comportamiento direccional es la mecánica fundamental detrás de cómo controlamos la energía en la electrónica. La siguiente sección explora cómo esta propiedad específica permite el uso generalizado de diodos y transistores en dispositivos modernos.
Cómo funcionan realmente los diodos en tu dispositivo
Un diodo es básicamente un canal de electricidad unidireccional. Bloquea el flujo de electricidad en una dirección y permite que fluya en la dirección opuesta. Si alguna vez puso una batería en un control remoto y no funcionó debido a la polaridad incorrecta, probablemente el diodo sea la razón por la que no se incendió. Actúa como un dispositivo de seguridad. Cuando la batería se coloca al revés, los diodos evitan que la corriente se drene de la batería y protegen los sensibles componentes electrónicos internos de daños.
Idealmente, un diodo con polarización inversa debería bloquear toda la corriente. En realidad, no es perfecto. Un diodo real puede perder unos 10 microamperios. En la mayoría de las aplicaciones esto se puede ignorar, pero está ahí. Si se aplica suficiente voltaje inverso (V) a la unión, eventualmente se romperá y permitirá que fluya la corriente. Este voltaje de ruptura suele ser tan alto que los circuitos estándar nunca lo alcanzarán, por lo que esencialmente puede ignorarse en el uso diario.
Las cosas se ponen interesantes cuando tienes un sesgo hacia adelante. Un diodo requiere un cierto voltaje para funcionar. Para los diodos de silicio, este umbral es de aproximadamente 0,7 voltios. Este salto de voltaje inicia el proceso de combinación hueco-electrón en la unión. Este es un pequeño obstáculo, pero importante para el correcto funcionamiento del dispositivo.
Transistor: el interruptor de la naturaleza
Los transistores fueron el siguiente paso lógico en el desarrollo de los semiconductores. Los diodos utilizan dos capas de material, mientras que los transistores utilizan tres capas. Se pueden construir como estructuras sándwich NPN o PNP. Gracias a esta estructura, el transistor puede actuar como interruptor y amplificador.
Visualmente, un transistor parece dos diodos colocados en oposición. Si lo piensas bien, esta configuración debería bloquear la corriente en ambas direcciones. Técnicamente sí. Pero aquí está el truco. Cuando pasas una pequeña corriente eléctrica a través de la capa intermedia de un sándwich, sucede algo mágico. Pueden fluir corrientes más grandes por toda la estructura.
Este es el comportamiento de conmutación que impulsa la informática moderna. Una corriente pequeña puede activar o desactivar una corriente grande. No es magia, es simplemente física refinada hasta convertirla en ciencia.
Del silicio al microprocesador
Un Chip de silicio es simplemente una pieza de silicio que contiene miles o incluso millones de transistores. Colocar un transistor como interruptor crea una puerta booleana. Conectar estas puertas crea un circuito lógico. Conecte suficientes y obtendrá un microprocesador.
La transición del silicio puro al silicio dopado, a los transistores y finalmente a los chips complejos hizo que las computadoras fueran muy baratas y accesibles para todos. El principio básico es sorprendentemente simple. La verdadera maravilla es cómo los hemos refinado. Ahora podemos formar decenas de millones de transistores en un solo chip sin gastar mucho dinero.
Preguntas frecuentes sobre semiconductores
**¿Es el silicio un semiconductor? **
Sí. La mayoría de los chips semiconductores y transistores están hechos de silicio. Es la materia prima elegida porque su estructura es estable y predecible.
**¿Para qué se utilizan los semiconductores? **
Son la columna vertebral de los dispositivos electrónicos. Los semiconductores se utilizan en chips, diodos, transistores y circuitos integrados. Todo lo computarizado o basado en ondas de radio depende de esta clase de material.
¿Qué elementos se utilizan en los semiconductores?
Puedes empezar con elementos puros como el silicio, el carbono y el germanio. O puedes mezclarles impurezas. La adición de fósforo o arsénico produce un dopaje de tipo N. La adición de boro o galio crea un dopaje de tipo P. Este procedimiento cambia la forma en que el material conduce la electricidad.
**¿Cuál es la definición de semiconductor? **
La conductividad eléctrica de los semiconductores es intermedia entre los conductores (como los metales) y los no conductores (como la mayoría de las cerámicas). No son completamente aislantes ni completamente conductores. Existen en el dominio intermedio de control.
**¿Quiénes son las empresas de semiconductores más grandes? **
La dinámica del mercado está cambiando, pero históricamente los gigantes han gobernado. Según datos de 2020, los principales competidores son TSMC con unas ventas de unos 45.400 millones de dólares, Samsung con unas ventas de unos 52.200 millones de dólares e Intel, que ocupa el primer lugar con 73.900 millones de dólares. Las cosas han cambiado, pero la demanda de estos chips no hace más que aumentar.
