La tecnología moderna es posible gracias a una clase de materiales llamados semiconductores. Todos los componentes activos, circuitos integrados, microchips, transistores y muchos sensores están fabricados con materiales semiconductores.
Si bien el silicio es el material semiconductor más utilizado en la electrónica, se utiliza una variedad de semiconductores, incluidos el germanio, el arseniuro de galio, el carburo de silicio y los semiconductores orgánicos. Cada material tiene ventajas como la relación costo-rendimiento, operación de alta velocidad, tolerancia a altas temperaturas o la respuesta deseada a una señal.
Semiconductores
Los semiconductores son útiles porque los ingenieros controlan las propiedades eléctricas y el comportamiento durante el proceso de fabricación. Las propiedades de los semiconductores se controlan agregando pequeñas cantidades de impurezas en el semiconductor a través de un proceso llamado dopaje. Diferentes impurezas y concentraciones producen diferentes efectos. Al controlar el dopaje, se puede controlar la forma en que la corriente eléctrica se mueve a través de un semiconductor.
En un conductor típico, como el cobre, los electrones transportan la corriente y actúan como portadores de carga. En los semiconductores, tanto los electrones como los huecos (la ausencia de un electrón) actúan como portadores de carga. Al controlar el dopaje del semiconductor, la conductividad y el portador de carga se adaptan para basarse en electrones o en huecos.
Hay dos tipos de dopaje:
- Los dopantes de tipo N, generalmente fósforo o arsénico, tienen cinco electrones que, cuando se agregan a un semiconductor, proporcionan un electrón libre adicional. Dado que los electrones tienen carga negativa, un material dopado de esta manera se denomina tipo N.
- Los dopantes de tipo P, como el boro y el galio, tienen tres electrones, lo que provoca la ausencia de un electrón en el cristal semiconductor. Esto crea un agujero o una carga positiva, de ahí el nombre de tipo P.
Tanto los dopantes de tipo N como los de tipo P, incluso en cantidades diminutas, hacen que un semiconductor sea un conductor decente. Sin embargo, los semiconductores tipo N y tipo P no son especiales y solo son conductores decentes. Cuando estos tipos se ponen en contacto entre sí, formando una unión P-N, un semiconductor adquiere comportamientos diferentes y útiles.
El diodo de unión P-N
Una unión P-N, a diferencia de cada material por separado, no actúa como conductor. En lugar de permitir que la corriente fluya en cualquier dirección, una unión P-N permite que la corriente fluya en una sola dirección, creando un diodo básico.
Aplicar un voltaje a través de una unión P-N en la dirección directa (polarización directa) ayuda a que los electrones en la región de tipo N se combinen con los huecos en la región de tipo P. Intentar invertir el flujo de corriente (polarización inversa) a través del diodo fuerza la separación de los electrones y los huecos, lo que evita que la corriente fluya a través de la unión. La combinación de uniones P-N de otras formas abre las puertas a otros componentes semiconductores, como el transistor.
Transistores
Un transistor básico está hecho de la combinación de la unión de tres materiales tipo N y tipo P en lugar de los dos que se usan en un diodo. La combinación de estos materiales produce los transistores NPN y PNP, que se conocen como transistores de unión bipolar (BJT). La región central, o base, BJT permite que el transistor actúe como un interruptor o amplificador.
Los transistores NPN y PNP parecen dos diodos colocados espalda con espalda, lo que bloquea el flujo de corriente en cualquier dirección. Cuando la capa central está polarizada hacia adelante para que una pequeña corriente fluya a través de la capa central, las propiedades del diodo formado con la capa central cambian para permitir que fluya una corriente más grande a través de todo el dispositivo. Este comportamiento le da a un transistor la capacidad de amplificar corrientes pequeñas y actuar como un interruptor que enciende o apaga una fuente de corriente.
Muchos tipos de transistores y otros dispositivos semiconductores resultan de la combinación de uniones P-N de varias maneras, desde transistores avanzados con funciones especiales hasta diodos controlados. Los siguientes son algunos de los componentes fabricados con combinaciones cuidadosas de uniones P-N:
- DIAC
- Diodo láser
- Diodo emisor de luz (LED)
- Diodo Zener
- Transistor Darlington
- Transistor de efecto de campo (incluidos los MOSFET)
- Transistor IGBT
- Rectificador controlado por silicio
- Circuito integrado
- Microprocesador
- Memoria digital (RAM y ROM)
Sensores
Además del control de corriente que permiten los semiconductores, los semiconductores también tienen propiedades que los convierten en sensores efectivos. Estos pueden hacerse sensibles a los cambios de temperatura, presión y luz. Un cambio en la resistencia es el tipo de respuesta más común para un sensor semiconductor.
Los tipos de sensores que son posibles gracias a las propiedades de los semiconductores incluyen:
- Sensor de efecto Hall (sensor de campo magnético)
- Termistor (sensor de temperatura resistivo)
- CCD/CMOS (sensor de imagen)
- Fotodiodo (sensor de luz)
- Fotorresistencia (sensor de luz)
- Piezorresistivo (sensores de presión/deformación)
