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Computador mágico II – El transistor I: el semiconductor




La serie “El computador mágico” está disponible también en forma de libro.

Transistores sueltos en distintos encapsulados (BethOHara, cc-by-sa)

Hoy comienza la serie sobre el computador mágico y empezaremos nuestro viaje por el transistor.

Si alguien nos pide que nombremos el invento más importante del siglo XX se nos ocurrirían unos cuantos: Internet, el avión, la bomba atómica, el computador… pero creo que el transistor destaca sobre todos ellos. Ninguno de esos inventos sería como es si no fuera por el transistor.

El caso es que estamos acostumbrados a pensar en los materiales como “conductores” o como “aislantes”. Los materiales conductores dejan pasar la corriente. Y los materiales aislantes no la dejan pasar.[1] Si tienes algún conocimiento más, podrías pensar en que incluso los aislantes, cuando les metes demasiado voltaje, también se comportan como conductores.[2] Es lo que ocurre, por ejemplo, cuando vemos saltar el arco eléctrico a través del aire.

Pero existen otros compuestos llamados semiconductores, cuyo comportamiento como conductor depende de las condiciones que se le apliquen. Dependiendo de si se le aplica presión, temperatura, torsión, radiación o cosas así, su comportamiento eléctrico cambia. En lo que a este artículo se refiere, cambia su bondad como conductor cuando se le aplican determinadas condiciones eléctricas. Vamos a verlo con un poco más de detalle.

Los semiconductores más utilizados están basados en silicio o en germanio, en los que se introducen pequeñas cantidades de otros materiales, como fósforo, boro, arsénico, galio… Se dice entonces que el silicio (o el germanio, o lo que sea) está dopado. Dependiendo del material con el que se dope al silicio, puede ocurrir que en la capa más exterior de sus átomos haya más electrones de lo habitual o que haya menos electrones (en este segundo caso se dice que hay un hueco, porque es como si “faltara” un electrón).

Si recordamos el mecanismo por el cual se produce la conducción eléctrica, nos daremos cuenta de que son los electrones de la capa más externa los que se mueven de átomo en átomo, produciendo la corriente eléctrica. De modo que el hecho de que tengamos más electrones o menos en esa capa exterior puede que afecte en algo, ¿no?

Si tenemos un material de los que tienen electrones de más en la última capa diremos que tenemos un semiconductor de tipo N (por “negativo”), mientras que si tenemos un material con huecos en la capa exterior[3] diremos que tenemos un semiconductor de tipo P (por “positivo”). Fíjate en que, a pesar del nombre, no es que el material en sí sea eléctricamente positivo o negativo. El material sigue siendo neutro, no estamos hablando de un ión, porque si cogemos un montón de átomos neutros de silicio y les añadimos unos pocos átomos neutros de boro, lo que obtenemos sigue siendo neutro. La N o la P indican si en la capa exterior hay electrones de más o de menos, pero no si el conjunto es positivo o negativo.

Símbolo eléctrico del diodo

Hasta aquí, nada especial. Lo bonito viene cuando ahora unimos un material de tipo P con uno de tipo N dos o más veces. Es esta unión PN la que muestra propiedades interesantes.[4]

Si unimos un material de tipo P con uno de tipo N obtenemos un diodo. No vamos a estudiar en profundidad el diodo, porque no es el objetivo de la serie, pero hablemos de él un momento porque será relevante después.

Un diodo permite el paso de la corriente cuando viene en sentido del P al N, pero la impide si va en sentido del N al P. Piénsalo y dime si no es curioso. Antes teníamos materiales que eran conductores y materiales que eran aislantes… y ahora tenemos un material que es conductor si la corriente va en un sentido y aislante si la corriente intenta ir en el otro.[5] Dependiendo del material que estemos usando para el diodo, incluso puede que emita luz (como es el caso de un LED, Light-Emitting Diode, diodo emisor de luz), puede que empiece a conducir más pronto o más tarde (no empieza a ser conductor justo cuando la corriente es directa, sino un pelín más tarde, cuando tiene entre sus patas o polos un voltaje determinado) o incluso algunas propiedades aún más extrañas. Es probable que al leer esto te quedes con la sensación de que te cuento qué hace, pero no por qué… y es una sensación legítima. Lo veremos, más adelante, pero como no es necesario para continuar entendiendo la serie lo haremos en una especie de “apéndice avanzado”, en el que veremos la física de los semiconductores y cómo se aplica a los componentes que vamos a ver. Publicaremos ese apéndice más adelante, para revisar a la vez tanto dicha física como el diodo y los dos tipos de transistores que vamos a ver.

Bueno, el caso es que ya sabemos cómo se comporta la unión de dos semiconductores P y N. Pero la unión que es interesante para nosotros es la de 3 materiales semiconductores de distintos tipos. Dependiendo de la forma en que combinemos esos semiconductores, tendremos los distintos tipos de transistor (bipolar-BJT, JFET, MOSFET,…). En el próximo capítulo nos centraremos en el transistor más sencillo de todos, el transistor BJT (Bipolar Junction Transistor, transistor de unión bipolar) o a menudo simplemente llamado “transistor bipolar”.

Será entonces cuando veamos un poco más en detalle cómo funciona este tipo específico, pero de momento vamos a ver la gráfica de comportamiento genérica de un transistor:

Que la entrada o la salida sean corriente o tensión, o que sea corriente medida aquí o allá, o tensión medida aquí o allá depende del tipo de transistor y de los componentes eléctricos que le pongamos alrededor, pero siempre tienen en común un comportamiento similar a este, fuertemente no lineal, y eso será lo que aprovechemos para nuestro ordenador.

En el próximo capítulo veremos cómo.

 

 

  1. Si no has leído la serie de El Tamiz sobre Electricidad, quizá convendría que pasaras por allí antes de seguir, en especial los capítulos 3, 5 y 6. No vamos a profundizar mucho, pero si te asusta leer palabras como “corriente” o “cortocircuito”, quizá necesites antes un refresco de esos temas. []
  2. Un compañero mío decía: “a mala hostia, todo conduce”. Perdonad la expresión, pero es que él lo decía así. []
  3. Recordemos que tener un “hueco” simplemente quiere decir que “tenemos un electrón de menos”… pero es que esa es la terminología que se usa. []
  4. Hasta tal punto es así que en muchos textos el título de este capítulo no es “el semiconductor” sino “la unión PN”. []
  5. Se dice que está polarizado en directa y polarizado en inversa, respectivamente. []

Sobre el autor:

J ( )

 

{ 6 } Comentarios

  1. Gravatar Brigo | 11/06/2012 at 02:55 | Permalink

    Tiene buena pinta! sigue con ello que siempre me han interesado estos temas. :-)

  2. Gravatar Enrique | 11/06/2012 at 03:43 | Permalink

    Realmente curioso que se cite la bomba atómica como uno de los (potenciales) mejores inventos del Siglo XX, y no la energía nuclear.

  3. Gravatar Pedro | 11/06/2012 at 03:59 | Permalink

    Enrique, no soy el autor, pero en el artículo no se cita la bomba atómica como uno de los mejores inventos, sino como uno de los más importantes. Creo que J se refiere a su influencia sobre la historia del XX, no a su bondad.

  4. Gravatar J | 11/06/2012 at 04:54 | Permalink

    Creo que J se refiere a su influencia sobre la historia del XX, no a su bondad.

    Exacto.

  5. Gravatar Battosay | 12/06/2012 at 02:01 | Permalink

    Sé que es tu estilo, pero siempre se me hacen muy cortos tus artículos. Podías enlazar dos en uno y así no se nos hace tan larga la espera, ¿no?

  6. Gravatar Juan Carlos | 12/06/2012 at 03:01 | Permalink

    Interesante inicio de la serie, pero concuerdo con Battosay, nos quedamos algo cortos en longitud. Aunque supongo es para hacer mas facil la “digestión” de los temas.

    Saludos.

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