Circuitos electricos

Dispositivos
Semiconductores
Principios Eléctricos
Rangel Portugal Bruno Daniel

Introducción
El estudio de las propiedades físicas de los materiales semiconductores y sus
sorprendentes aplicaciones en el desarrollo técnico de dispositivos eléctricos,
representan una de las revolucionescientífico-tecnológicas de mayor impacto sobre
nuestra sociedad.
Para tener una idea de la realmagnitud de esta
revolución pensemos por un momento en los transistores, probablemente la
aplicación tecnológica más importantede los semiconductores. Cualquier habitante
del mundo moderno se encuentra rodeado cotidianamente por millones
de transistores.
Están en el televisor, en el equipo de música, en la máquina de lavar, en el reloj de
pulsera, en elteléfono celular. Un computador personalpuede llegar a tener algunos
miles de millones de transistores.
De hecho,en el mundo existen muchos más transistores que personas. Pero,
naturalmente, una cosa es usar esta tecnología y
otra muy distinta es entender como opera. Este último es el objetivo que persigue este
breve artículo.
Sin embargo,dada la naturaleza altamente especializada del tema y el reducido
espacio disponible paradesarrollarlo, siempre
que sea posible dejaremos de lado las consideraciones de carácter técnico que
obligarían a extender la discusión
más allá de lo pertinente.

SEMICONDUCTORES
Los semiconductores son elementos que tienen una conductividad eléctrica inferior a
la de un conductor metálico pero superior a la de un buen aislante. El semiconductor
más utilizado es el silicio, que es el elementomás abundante en la naturaleza,
después del oxígeno.
Otros semiconductores son el germanio y el selenio.
Los átomos de silicio tienen su orbital externo incompleto con sólo cuatro electrones,
denominados electrones de valencia. Estos átomos forman una red cristalina, en la
que cada átomo comparte sus cuatro electrones de valencia con los cuatro átomos
vecinos, formando enlaces covalentes. Atemperatura ambiente, algunos electrones
de valencia absorben suficiente energía calorífica para librarse del enlace covalente y
moverse a través de la red cristalina, convirtiéndose en electrones libres.
Si a estos electrones, que han roto el enlace covalente, se les somete al potencial
eléctrico de una pila, se dirigen al polo positivo.

Cuando un electrón libre abandona el átomo de uncristal de silicio, deja en la red
cristalina un hueco, que con respecto a los electrones próximos tiene efectos
similares a los que provocaría una carga positiva. Los huecos tienen la misma carga
que el electrón pero con signo positivo.
El comportamiento eléctrico de un semiconductor se caracteriza por los siguientes
fenómenos:
- Los electrones libres son portadores de carga negativa y sedirigen hacia el polo positivo
de la pila.
- Los huecos son portadores de carga positiva y se dirigen hacia el polo negativo de la pila.
- Al conectar una pila, circula una corriente eléctrica en el circuito cerrado, siendo
constante en todo momento el número de electrones dentro del cristal de silicio.
- Los huecos sólo existen en el seno del cristal semiconductor. Por el conductor exteriorsólo
circulan los electrones que dan lugar a la corriente eléctrica.

Metales, semiconductores y aisladores
Las bandas asociadas con las capas completas internas en los átomos originarios
tienen las cuotas exactas de electrones que les permite el principio de exclusión de
Pauli. En estas bandas los orbitales no sufren alteraciones significativas y retienen su
carácter atómico al formarse elsólido.
Sin embargo, la banda correspondiente a la capa atómica más externa, ocupada por
los electrones de valencia, es la más interesante en lo que se refiere a las
propiedades de los sólidos. Si la banda más externa no está completamente llena, se
denomina banda de conducción.
Pero, si está llena, se llama banda de valencia y la banda vacía que queda
inmediatamente encima de esta última...