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• Freddy Montalvo Agüero

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Historia de los semiconductores

La historia de los semiconductores se remonta a los tiempos de Faraday (1833) y Becquerel (1839). Faraday descubre que el sulfato de plata tiene un coeficiente de temperatura negativo y Becquerel estudia las propiedades de algunos electrolitos. Ambrose Fleming (1905), en la búsqueda de un detector de señales eléctricas, desarrolla el diodo de vacío, el primer dispositivo electrónico (válvula) conocido. Casi simultáneamente, Gertel y Elstel (1905) toman como base el efecto fotoeléctrico y producen la primera célula fotoeléctrica, la cual no será utilizada con fines comerciales hasta 1920, cuando da comienzo la investigación del cine sonoro y de la televisión. Poco después, Lee de Foret (1907) inventa el triodo. Este dispositivo, aparte de detectar señales eléctricas, es ya capaz de amplificar señales (surge añadiendo un tercer electrodo a la válvula). Hacia 1915 se comienza a usar el cristal de galena como detector de señales. A principios de los años 20 se empiezan a utilizar los rectificadores de selenio y de óxido de cobre y las válvulas de radio sustituyen el detector de cristal. Entre 1920 y 1940, por un lado se desarrolla el tetrodo y el pentodo, y de otro, los físicos elaboran teorías que explican algunos de los fenómenos descubiertos hasta entonces. En 1923 Schottky publica la teoría de los rectificadores secos; es la primera contribución al estudio teórico de los semiconductores. En esta teoría se aprecia que el empleo de la mecánica cuántica se revela indispensable. Tal vez sea el televisor el invento más notable de nuestro tiempo, a juzgar por el impacto social que ha causado. En 1928 Zworykin desarrolla un dispositivo capaz de transformar una imagen óptica en una corriente eléctrica: el iconoscopio. Poco después este dispositivo o tubo sufre modificaciones y así se obtiene el tubo disector de imagen, en que la imagen se consigue a base de presentarla línea a línea en lugar de punto a punto. Una vez salvados todos los problemas técnicos en la experimentación, la televisión comercial irrumpe en los hogares norteamericanos en 1945. Hacia 1940, durante la segunda guerra mundial, se busca un detector de cristal que satisfaga las necesidades del radar (instrumento que funciona en las ondas centimétricas). La industria electrónica se desarrolla vertiginosamente y surgen técnicas de miniaturización y empleo de materiales robustos y ligeros en los dispositivos electrónicos. Así el diodo semiconductor recibe un nuevo impulso, mientras que el diodo de vacío queda relegado

La importancia En la tecnología actual es muy significativa ya que forman la basa de gran parte de los dispositivos de estado sólido: rectificadores, transistores, fotocélulas, termistores, amplificadores operacionales, etc. De hecho se ha llegado a calificar hasta de revolución en la electrónica a la masiva transformación que ocurrió en la en la década de los años 50 , en que la

mayor parte de la válvula de vacío fueron sustituidas por diodos semiconductores y estos tenían la ventaja de ser mucho más baratos ,sufrir menos averías y consumir una potencia menor. Al ser de tamaño mucho más reducido que las válvulas de vacío motivo que se empezase a considerar seriamente la miniaturización de los componentes electrónicos naciendo la denominada microelectrónica.se puede afirmar con poca probabilidad de error que si no hubiera sido por el transistor y por los posteriores circuitos integrados el crecimiento exponencial experimentado por la industria electrónica desde 1920 se hubiera convertido en crecimiento lineal tal como sucedió con la industria del acero o la del automóvil en los países desarrollados .

APLICACIONES DE LOS SEMICONDUCTORES EN DISPOSITIVOS ELECTRICOS 1.- INTRODUCCIÓN Un material semiconductor es aquel que tiene una conductividad eléctrica intermedia, entre la de los metales y los aislantes; y otras propiedades físicas no usuales. Estos se pueden clasificar en dos tipos: 

Semiconductores intrínsecos: poseen una conductividad eléctrica fácilmente controlable y, al combinarlos correctamente adecuadamente, pueden actuar como interruptores, amplificadores o dispositivos de almacenamiento. Ejemplo: Si y Ge puros.    Semiconductores extrínsecos: estos se forman al agregar, intencionadamente, a un semiconductor intrínseco sustancias dopantes. Su conductividad dependerá de la concentración de esos átomos dopantes. Dependiendo de esas impurezas habrá dos tipos: a Semiconductores de tipo n: En las redes de Si o Ge se introducen elementos del grupo 15 los cuales debido a que tienen un electrón mas en su capa de valencia que los elementos del grupo14 se comportan como impurezas donadoras de electrones o portadores negativos. b Semiconductores de tipo p: En este caso se introducen elementos del grupo 13 que presentan un electrón menos en su capa de valencia, por lo que se comportan como aceptores o captadores de electrones.

2.- APLICACIONES EN DISPOSITIVOS ELECTRICOS Se han desarrollado muchos dispositivos electrónicos utilizando las propiedades de transporte de los semiconductores; el uso de semiconductores en la industria electrónica ha aumentado de forma importante. Así, veremos algunas de las más importantes:  

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Termistores: se basan en la propiedad de que la conductividad depende de la temperatura para medir dicha temperatura. También se usan en otros dispositivos, como en alarmas contra incendio. Transductores de presión: al aplicar presión a un semiconductor, los átomos son forzados a acercarse, el gap de energía se estrecha y la conductividad aumenta. Midiendo la conductividad, se puede conocer la presión que actúa sobre ese material. Rectificadores (dispositivos de unión tipo p-n): se producen uniendo un semiconductor tipo n con otro tipo p, formando una unión tipo p-n. Los electrones se concentran en la unión tipo n y los huecos en la unión p. El desequilibrio electrónico resultante crea un voltaje a través de la unión. Transistores de unión bipolar: un transistor se puede usar como interruptor o como amplificador. El transistor de unión bipolar (BJT), se suele utilizar en unidades de procesamiento central de computadoras por su rápida respuesta a la conmutación. Transistores de efecto de campo: utilizado frecuentemente para almacenar información en la memoria de los ordenadores. El transistor de efecto de campo (FET), se comporta de forma algo distinta a los de unión bipolar.

3.- LA UNION P-N Los dispositivos semiconductores más comunes dependen de las propiedades de la unión entre materiales de tipo p y de tipo n. Esta unión p-n se produce de forma más habitual por difusión en estado sólido de un tipo de impureza de tipo p sobre un material de tipo n. Aunque también se puede obtener un diodo de unión p-n por crecimiento de un monocristal de silicio intrínseco y dopándolo primero con un material de tipo n y después con uno p. Este diodo p-n se puede encontrar de tres maneras distintas, según como se aplique el voltaje: 

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En el equilibrio: Antes de la unión, ambos tipos de semiconductores son neutros; en los p los huecos son los portadores mayoritarios y en los n son los electrones. Después de la unión, los portadores de esta se difunden a través de ella. Después de algunas recombinaciones, el proceso se interrumpe, ya que los electrones que van al material tipo p, son repelidos por los iones negativos; y los huecos son repelidos por los iones positivos del material tipo n. Los iones inmóviles de la unión forman una zona agotada de los portadores mayoritarios, llamada zona de deplexión. De esta forma no hay flujo neto de corriente en condiciones de circuito abierto. Polarización inversa: Si se invierte el voltaje aplicado, tanto los huecos como los electrones se separan de la unión. Sin portadores de carga en la zona de agotamiento, la unión se comporta como un aislante y casi no fluye corriente. Polarización directa: Si en la unión p-n se aplica un voltaje externo, de forma que la terminal negativa este del lado tipo n, los electrones y los huecos se moverán hacia la unión y se recombinarán finalmente. El movimiento de electrones y de huecos producen una corriente neta. Si

se incrementa esta polarización, aumentará la corriente que pase por la unión.

4.- APLICACIONES PARA DIODOS DE UNION P-N.

 Diodos rectificadores: Uno de los usos más importantes de estos diodos de unión p-n es convertir corriente alterna en corriente continua, lo que se conoce como rectificación. Al aplicar una señal de corriente alterna a un diodo de unión p-n, este conducirá sólo cuando la región p tenga aplicado un voltaje positivo con respecto a la región n, por lo que se produce una rectificación de media onda. Esta señal se suaviza con otros dispositivos y circuitos electrónicos, para dar una corriente continua estable.  Diodos de avalancha: También se les llama diodos zener; son rectificadores de Si. En la polarización inversa se produce una pequeña fuga de corriente, debido al movimiento de electrones y huecos térmicamente activados. Al hacerse demasiado grande la polarización inversa, cualquier portador que llegue a fugarse se acelerara lo suficiente para excitar a portadores de carga, causando una corriente elevada en dirección inversa. Debido a este fenómeno se pueden diseñar dispositivos limitadores de voltaje. Al dopar adecuadamente la unión p-n, se puede seleccionar el voltaje de avalancha o de ruptura. Al aumentar mucho el voltaje, por encima del de ruptura, fluirá una corriente elevada a través de la unión, así se evita que pase por el resto del circuito; por eso se utilizan para proteger circuitos contra voltajes accidentales.

5.- TRANSISTOR DE UNION BIPOLAR. Un transistor de unión bipolar es un apilamiento de materiales semiconductores en secuencia n-p-n-p-n-p. En el transistor se pueden distinguir tres zonas:

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Emisor: emite portadores de carga, como es de tipo n, emite electrones. Base: controla el flujo de los portadores de carga, es de tipo p. Esta se hace muy delgada (del orden de 10-3 cm de espesor) y se dopa, de forma que solo una pequeña fracción de los portadores que viene del emisor se combinará con los portadores mayoritarios de la base con carga opuesta. Colector: recoge los portadores de carga provenientes del emisor; la zona del colector es del tipo n, recoge electrones.