En la historia de la ingeniería, a veces los físicos se abren camino en la historia. Consideremos, por ejemplo, a John Bardeen. Es posible que no hayas oído hablar de él, pero Bardeen es la única persona en toda la historia en ganar dos premios Nobel de Física. Compartió el premio una vez en 1956 y nuevamente en 1972, ambas veces por descubrimientos que hacían uso inteligente de materiales para la ingeniería eléctrica. El primer premio fue por su trabajo en el desarrollo del transistor y el segundo fue por describir una forma de permitir que ciertos materiales conduzcan electricidad sin resistencia, lo que se conoce como superconductividad.
Los transistores y los semiconductores
Los transistores son componentes eléctricos que ya han revolucionado la sociedad. Forman la base de toda la computación moderna y, en su núcleo, se encuentran los semiconductores. Los semiconductores son materiales que están entre materiales que conducen electricidad y materiales que no lo conducen en absoluto. Un ejemplo clásico sería el silicio, que se utiliza tan comúnmente como semiconductor que el famoso Silicon Valley lleva su nombre.
Por sí solo, el silicio no conduce electricidad muy bien. No tiene cargas libres, como electrones libres, para transportar una corriente. Sin embargo, es posible alterar la estructura del silicio a nivel atómico para cambiar eso. Por ejemplo, si se reemplazan algunos de los átomos del silicio por átomos de fósforo, estos últimos llevan un electrón más que un átomo de silicio, lo que introduce más electrones cargados negativamente en el material. Estos electrones adicionales no están unidos a ninguno de los átomos de silicio y, por lo tanto, son cargas negativas libres. Por esta razón, llamamos a este tipo de semiconductor de tipo n, n por negativo.
Por otro lado, si se cambian algunos de los átomos de silicio por átomos de boro, crea una relativa falta de electrones en el material. El átomo de boro tiene un electrón externo menos que el átomo de silicio que reemplaza. Los lugares donde faltan esos electrones se llaman huecos. La falta de carga negativa crea regiones de carga positiva libre, por lo que llamamos a este arreglo semiconductor de tipo p, p por positivo. Los huecos pueden moverse y transportarse en un material al igual que la ausencia de agua en un contenedor sellado, por ejemplo, forma una burbuja cuya ubicación se puede seguir. Se puede pensar en los huecos como cargas positivas efectivas que pueden ser llenadas por la presencia de un electrón. Cuando eso sucede, el espacio dejado por ese electrón crea un nuevo hueco.
Por sí solos, estos semiconductores p y n no son muy emocionantes. A diferencia del silicio puro, que es un aislante, serán débilmente conductores porque ahora tienen cargas libres que se mueven, pero las cosas se vuelven realmente interesantes cuando se colocan juntos. Por ejemplo, si tienes ambos p y n conductores juntos en un circuito, normalmente los electrones fluyen desde el terminal negativo hacia el positivo. Recuerda que la corriente se define como fluir en la dirección opuesta, por lo que viaja de positivo a negativo.
Una cosa que puedes hacer al juntar ambos tipos de semiconductores es detener la corriente en un circuito para que no fluya en absoluto. Si colocas el semiconductor de tipo n al lado del terminal positivo y el semiconductor de tipo p al lado del terminal negativo, juntos detendrán la corriente, aunque por sí solos cada uno conduciría débilmente. Funciona porque las cargas adicionales de cada semiconductor están opuestas al terminal que tiene al lado.
Todas las cargas negativas en el semiconductor de tipo n son atraídas hacia el terminal positivo del circuito y todos los huecos en el semiconductor de tipo p son atraídos hacia el terminal negativo de la célula. Dado que las cargas efectivas se están alejando del área entre los semiconductores, se forma una brecha entre las dos placas donde no se puede transportar la carga. A eso lo llamamos una región agotada.
Dado que no hay cargas libres para transportar una corriente a través de esa brecha, no puede pasar una corriente eléctrica. Por lo tanto, si acomodas los semiconductores p y n de esta manera, puedes detener el flujo de corriente. Pero si los acomodas al revés, con el semiconductor p cerca del terminal positivo y el n cerca del terminal negativo, los electrones y los huecos se atraen entre sí. En este caso, los electrones adicionales del semiconductor n llenan los huecos del semiconductor p y aparecen nuevos huecos donde solían estar los electrones.
Esta especie de cascada puede ocurrir en todo el circuito una y otra vez hasta que los electrones fluyan mucho como antes. En otras palabras, con este arreglo, la corriente puede viajar a través de donde las capas n y p se encuentran. La finalidad de los semiconductores n-p juntos es la forma más simple de lo que llamamos un diodo, que básicamente es un refuerzo de una sola vía de corriente eléctrica.
Permite que la corriente fluya en una dirección pero la detiene en la dirección opuesta. Esto depende de cómo insertes los semiconductores en relación con los terminales de tu suministro de voltaje, ya sea una batería, un enchufe eléctrico o cualquier otra cosa. Poder controlar el flujo de una corriente puede ser muy útil, por ejemplo, puedes tener una corriente alterna o una señal de CA que fluye a través de un circuito donde la dirección de la corriente cambia de ida y vuelta, pero muchos componentes eléctricos necesitan una corriente directa o una corriente continua, con un flujo de corriente en una sola dirección.
En el arreglo adecuado, los diodos se pueden usar para convertir una corriente alterna ondulada en una corriente continua simple. El flujo de carga en la corriente continua siempre va en la misma dirección y los extremos positivo y negativo de la salida permanecen iguales, como una batería. Por lo tanto, los diodos son útiles para controlar la dirección de una corriente, pero se puede hacer aún más si se colocan tres semiconductores juntos en forma de sándwich. Hay dos opciones para este tipo de sándwich: pnp o npn.
En ambos casos, la capa media crea un diodo con cada una de las capas exteriores, y cada diodo permite que la corriente fluya en dirección opuesta. Esto puede no parecer muy útil porque las tres capas de semiconductores restringen el flujo en ambas direcciones, a menos que agregues una segunda corriente. Supongamos que tienes un sándwich npn conectado a una batería. La corriente no puede fluir a través de él porque tienes un terminal positivo conectado a una capa n. Los electrones en esa capa serán atraídos hacia el terminal positivo, mientras que los huecos en la capa p serán atraídos hacia el otro extremo de la capa.
Entonces, terminas con una región agotada entre ellas y la corriente no va a ninguna parte. Pero aquí está lo increíble, simplemente si aplicas una pequeña corriente que fluye desde la placa media hasta la capa final en el mismo lado que el terminal negativo de la primera batería, entonces los electrones que van hacia la capa p llenan la región agotada entre ella y el otro extremo de la capa, por lo que la brecha que los electrones no podían cruzar antes desaparece y la corriente original más grande es libre de fluir por todo el sándwich. En otras palabras, has creado un interruptor eléctrico, una especie de puerta de enlace que requiere solo una pequeña corriente para controlar el flujo de una corriente más grande, y funciona para los arreglos pnp también.
Este arreglo de semiconductores que al principio podría parecer tan poco funcional es un transistor, y el hecho de que te permite controlar cómo fluye una corriente en un circuito lo convierte en uno de los componentes más importantes de la era electrónica.
Dado que los transistores utilizan corrientes más pequeñas para influir en los estados activado o desactivado de las corrientes más grandes que fluyen por los cables, forman la base del sistema binario de unos y ceros en el que se basan las computadoras. Maravillas como las computadoras y los chips de computadora, incluida tu capacidad para ver este contenido, dependen de los semiconductores y los transistores que fabricamos a partir de ellos.
Las celdas solares
Pero los semiconductores no solo pueden dirigir el flujo de energía eléctrica, también se pueden utilizar para generar corrientes eléctricas, y esa capacidad nos ha permitido aprovechar una fuente increíblemente útil de energía renovable y limpia. Para entender cómo funciona esto, volvamos a un simple arreglo de diodo con un semiconductor tipo p y un semiconductor tipo n juntos. Esta vez, no conectes los dos lados a una fuente de energía, sino que los conectes a un dispositivo que desees alimentar, como un pequeño motor eléctrico.
Recuerda, el tipo n tendrá un exceso de cargas negativas y el tipo p tendrá un exceso de huecos. No hay voltaje aplicado a la unión entre los dos tipos, por lo que los electrones del tipo n llenarán naturalmente los huecos del tipo p. Esto crea una región agotada en la interfaz entre los dos semiconductores. No hay cargas libres porque los electrones se unen débilmente a los átomos cuando llenan los huecos que estaban en el tipo p.
El tipo n tiene una pequeña región con algunos átomos cargados positivamente debido a la ausencia de esos electrones, mientras que el tipo p tiene una pequeña región con algo de carga negativa debido a esos electrones adicionales que recogió. Estas cargas opuestas configuran un campo eléctrico en el espacio entre ellos. Si hubiera electrones libres en este campo, serían expulsados de la región cargada negativamente en el tipo p y hacia la región positiva en el tipo n. E
sto deja un hueco en el tipo p esperando a ser llenado, pero los electrones no pueden fluir en contra del campo eléctrico; las fuerzas los empujan en la otra dirección. En cambio, el electrón adicional del tipo n fluirá alrededor del circuito a través del dispositivo, entregando energía eléctrica. Eso es una celda solar. Con la disposición adecuada de semiconductores, puedes generar electricidad a partir de la luz. Estos tipos de células son exactamente las que forman la base de los paneles solares. Con semiconductores y, en particular, con silicio, se puede crear energía eléctrica a partir de la luz solar. Y creo que estarás de acuerdo en que eso es una idea genial.
En este episodio, vimos cómo el silicio y la introducción de pequeñas cantidades de otros elementos permiten que las capas de silicio conduzcan corrientes y se conviertan en semiconductores. Vimos cómo poner dos diferentes tipos de semiconductores, n y p, juntos nos dio componentes eléctricos como diodos, transistores y celdas solares.
