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Computador mágico A – Física del semiconductor




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

A lo largo de la serie hemos visto cómo funcionan los componentes más importantes fabricados con semiconductores: diodos, transistores BJT y transistores MOSFET. Pero no hemos visto por qué se comportaban así. En este apéndice vamos a explicarlo.

Hemos decidido sacar esta explicación a un apéndice, en lugar de dejarlo en el cuerpo principal, por dos motivos:

  • No es necesario para seguir la serie. Saber cómo funcionan los transistores era necesario para saber cómo se construyen los componentes superiores, pero saber por qué funcionan como funcionan no lo era.
  • Requiere un nivel de física y química un poco más profundo de lo que requiere el resto de la serie. No hará falta ser experto en electromagnetismo, pero sí que palabras como corriente, voltaje, electrón, silicio o boro no te asusten. Si no lo tienes claro, deberías al menos revisar la serie de El Tamiz sobre Electricidad. También necesita que al menos te suene la organización por capas de los electrones de los átomos (yo lo estudie en el bachillerato, así que supongo que se cuenta en la ESO o el bachillerato actual). Requiere además que asimiles cada epígrafe antes de pasar al siguiente y que lo recuerdes. En fin, aunque no es complicadísimo, y vamos a simplificarlo de forma que sea comprensible, requiere cierta agilidad mental, leerlo con atención y quizá leerlo dos veces para entenderlo.

Este apéndice debería leerse poco después de haber visto cómo funcionan los transistores (tanto BJT como MOSFET), por lo que si no tienes frescos esos artículos, deberías repasarlos.

 

El silicio dopado

Vamos a empezar nuestra explicación por el cristal de silicio. El silicio (Si) es un elemento con 14 protones y 14 electrones,[1] distribuidos en 3 capas: la primera capa tiene 2 electrones, la segunda capa tiene 8 electrones y la tercera capa tiene 4 electrones. El cristal de silicio son un montón de átomos de silicio, unidos entre sí por enlaces covalentes. Por si acaso no tienes fresca la química del colegio: un enlace covalente es aquel en que dos átomos ponen en común un electrón cada uno, compartiéndolos ambos, de modo que el electrón no es de uno ni de otro, sino de ambos. También merece la pena recordar que los elementos químicos tienen querencia a rellenar su última capa con 8 electrones,[2] bien sea soltando los que le sobran para que la capa quede vacía (y por lo tanto la penúltima, que tiene 8, se convierta en “la última” y quede completa), bien sea tomando los que le faltan para tener 8 en la última. El enlace covalente es una forma de que los electrones los compartan entre los dos átomos, y así ambos tienen 8 (en cierto modo, al menos).

Entonces, si tenemos un montón de átomos de silicio pueden unirse entre sí de modo que cada uno tenga 4 enlaces covalentes, uno con cada uno de sus vecinos:

Fíjate en el átomo del centro: inicialmente tenía 4 electrones en su capa más externa. Comparte uno con su vecino de la izquierda, que a su vez comparte uno con él, de modo que por cada vecino gana un electrón… en cierto modo. Y así, con 4 vecinos, su capa externa tiene los 8 electrones que quiere.

Obviamente, cada uno de esos vecinos tiene un vecino, y ese a su vez otro, y ese otro, y otro y otro más… pues eso es un cristal de sicilio. Lo podemos representar más o menos así:

Obviamente, en el mundo real no es una estructura bidimensional, sino tridimensional, así que no forma una malla, sino que dos de los enlaces están un poco hacia arriba y otros dos un poco hacia abajo,  y así se unen al siguiente piso 3D… pero bueno, eso no nos importa. Lo importante es: cada átomo de sicilio está unido a sus vecinos mediante 4 enlaces covalentes.

Vamos a ver primero los semiconductores intrínsecos. No nos interesan en nuestra explicación, pero vamos a verlos por encima para quitárnoslos de en medio. Fíjate en que esos electrones está fuertemente unidos a sus núcleos, de modo que este material, tal cual, es relativamente mal conductor. Pero si esa estructura recibe energía (por ejemplo, simplemente por una alta temperatura, pero pueden ser otras cosas), uno de esos electrones puede saltar desde la capa 3 hasta la capa 4. Fíjate en que la capa 4 ya está más lejos del núcleo, de forma que ese electrón ya queda relativamente libre y puede moverse a lo largo del material si lo sometemos a voltaje… es decir, ya circula corriente.[3] Fíjate: el material no es aislante o conductor. Puede ser aislante en general, pero si por ejemplo sube la temperatura, pasa a ser conductor. También puede ser, por ejemplo, porque le lleguen fotones (es decir, luz).

Los semiconductores que nos interesan, de todos modos, son los semiconductores extrínsecos. Imagina ahora que sustituimos uno de los átomos de silicio por uno de fósforo. Por si no lo recuerdas, el fósforo (P) tiene 15 electrones: 2 en la primera capa, 8 en la segunda y 5 en la tercera. Así, cuando lo introducimos a la fuerza en una red de átomos de silicio, forma 4 enlaces covalentes con ellos… y un electrón queda suelto.

 

 

 

Compáralo con el dibujo de antes. ¿Ves el electrón que está suelto?

Ese electrón no forma parte de ningún enlace. No solo eso, sino que ahora todos los átomos, tanto los de silicio como el de fósforo, tienen 8 electrones en su tercera capa. Todos están “completos”. Así que ese electrón huérfano está en la cuarta capa.

Fíjate en que el elemento sigue siendo neutro, no tiene carga negativa, porque el fósforo tiene 15 protones, de modo que, desde el punto de vista iónico, el material sigue siendo neutro. Solo cambia la capa en la que está el electrón. Recuerda que esta cuarta capa ya está más lejos del núcleo, por lo tanto ese electrón está más libre, y puede llegar a moverse (es decir, producir corriente eléctrica) si le aplicamos voltaje.

Bien, pues esto es un semiconductor de tipo N. Un cristal de silicio que, por causa de introducirle algunos átomos de fósforo, tiene algunos electrones en la cuarta capa. La N viene de Negativo, pero no porque sea un ión, sino solamente porque tiene un electrón de más en la capa 4.

Ahora vamos a por el material semiconductor de tipo P. En este caso, en lugar de introducir un átomo de fósforo, introducimos uno de boro (B). Por si no lo recuerdas, el boro (B) tiene 5 electrones: 2 en la primera capa y 3 en la segunda. Por lo tanto, cuando lo introducimos a la fuerza en la red de silicio, comparte los 3 electrones externos con tres de sus vecinos de silicio, formando 3 enlaces covalentes con ellos. Pero es un gorrón, de modo que con el cuarto vecino no comparte nada, pero sí toma prestado el electrón que este le ofrece. Así que queda una red más o menos así:

 

 

De nuevo, compáralo con el dibujo de antes. ¿Ves que falta un electrón? No es que sea un ión, porque el boro solo tiene 5 protones en el núcleo. Desde el punto de vista iónico, el compuesto es neutro. Pero vaya, parece que querría obtener un electrón más para que todos pudieran rellenar con 8 electrones su capas externas. Esto es lo que se llama un hueco. A menudo se dicen cosas como “los huecos se mueven” o “corriente de huecos”, pero debe quedarte claro que los huecos no son una partícula, sino simplemente la falta de un electrón. Cuando decimos que el hueco se mueve hacia la derecha, lo que queremos decir en realidad es que un electrón se ha movido desde la derecha hacia aquí. ¿Está claro?

Se pueden usar otros materiales para el cristal, como germanio, o incluso mezclas de dos (como por ejemplo el arseniuro de galio, GaAs; es algo así como si “en media” se comportara como el silicio). También se pueden usar otros elementos para el dopaje, como arsénico o antimonio para los tipo N; o aluminio, galio o indio para los tipo P. Fíjate en su posición en la tabla periódica y verás que no es casualidad.

Diodo

Vale, pues ya tenemos claro lo que son los semiconductores de tipo P y de tipo N. Recapitulando: ambos son componentes macroscópicamente neutros, pero el tipo N tiene un electrón de más en su capa más external (del cual está deseando deshacerse, a poco que le ayudemos) y el tipo P tiene un hueco (que está deseando rellenar con un electrón, si se lo damos).

Un diodo, si recordamos, era simplemente la unión entre un semiconductor de tipo P y otro de tipo N.

Veamos qué ocurre cuando sometemos al diodo a un voltaje tal que sea positivo entre la zona P y la zona N (se dice que el diodo está en polarización directa):

En esta situación, los electrones que están en la parte N se ven repelidos por la parte – de la pila (que se llama ánodo). No olvides que la parte N está deseando soltar esos electrones. Es neutra, pero casi digamos que le sobran, los regala. Además, la parte P está deseando aceptar esos electrones. Y por si fuera poco, la parte + de la pila (que se llama cátodo) atrae a los electrones. Todo ello confabula para que los electrones viajen desde la zona N hacia la zona P (por supuesto, una vez que esto ocurra, nuevos electrones llegarán desde el ánodo de la pila, para reemplazar a los que se han ido hacia arriba; y los que llegan a la parte P serán absorbidos por el cátodo de la pila. Es decir, se están moviendo electrones en sentido antihorario. O dicho de otro modo: tenemos una corriente en sentido horario.[4]

Es decir, el diodo polarizado en directa permite el paso de la corriente.

¿Qué ocurre si el voltaje es al revés (positivo entre N y P)?

En este caso podría parecer que los electrones deberían de circular al revés, desde el P hacia el N. Pero no olvides que al P ya le faltan electrones, y a la parte N le sobran. Para que se produjera esa corriente el P, al que ya le faltan electrones, debería dárselos al N, al que ya le sobran. Eso no ocurre, y por lo tanto la corriente no circula. Es decir, el diodo polarizado en inversa no permite el paso de la corriente.

En la práctica, sí que existe una pequeña corriente residual, ya que siempre habrá algunos electrones díscolos que se moverán, como parte de sus movimientos aleatorios (sobre todo cuanto mayor sea la temperatura), y si llegan hasta el terminal, la pila se encarga de hacerlos circular. Pero será una corriente muy pequeña, despreciable frente a la enorme corriente que circula cuando está en polarización directa. También puede circular corriente si el voltaje entre los terminales es muy alto, pero en ese caso simplemente se debe a que hemos llegado a la tensión de ruptura. Quitando esos dos casos (uno por despreciable y el otro por extremo), el diodo en inversa no conduce.

Transistor bipolar

 

 

Veamos ahora el transistor bipolar NPN (el PNP es parecido, con todos los signos al revés). Vamos a suponer siempre que el transistor tiene una tensión positiva y suficientemente alta entre los extremos (es decir, entre el Colector y el Emisor). Lo que tenemos entre Base y Emisor es algo parecido al diodo que teníamos antes:

 

Si entre Base y Emisor tenemos una tensión nula, entre Base y Emisor no puede circular corriente. Entre Colector y Base sí hay tensión, pero fíjate en que eso es básicamente un diodo polarizado en inversa. Ya hemos visto cómo funciona un diodo en inversa: no circula corriente. Por lo tanto, no circula corriente por ningún sitio, estamos en zona de corte.

En cambio, si entre Base y Emisor tenemos una tensión positiva (grande), el “diodo” que hay entre Base y Emisor está en directa. Circulan electrones del Emisor (N) a la Base (P), igual que en el diodo. Pero la diferencia con el diodo es que ahora hay justo detrás un Colector (N) que tiene un voltaje positivo, por lo que los electrones que suben hasta la Base siguen corriendo hacia el Colector, atraídos por el cátodo de la batería. Circula corriente: zona de saturación.

Fíjate en que el Colector es de tipo N, por lo que no está precisamente ansioso por recibir esos electrones, sino más bien todo lo contrario. Hay que ayudarle. Por eso, la geometría es importante, para que los electrones… “sigan su camino” hacia el Colector. Ese mecanismo se llama “difusión” y, simplificándolo, se basa en facilitar el camino hacia el Colector a la vez que se dificulta el camino hacia la Base:

Fíjate en el corte transversal: la superficie de contacto entre Base y Colector es muy grande, de modo que cuando los electrones salen del Emisor lo tienen muy fácil para seguir hacia el Colector. Ten en cuenta que el Colector en sí no está ansioso por recibirlos, pero el cátodo de la pila sí, así que esta pequeña ayuda puede ser suficiente. Ya hemos visto, además, que el semiconductor de tipo N tiene electrones en la cuarta capa, se comporta casi como los metales conductores de la electricidad… solo hay que ayudarle.

Transistor MOSFET

El transistor MOSFET es un poco más sencillo de entender.

Como antes, vamos a ver el de canal N (NMOS), aunque el PMOS (el de canal P) es prácticamente igual (solo hay que cambiar electrones por huecos, Ns por Ps y viceversa). Y recuerda que estamos centrándonos en el caso en que la tensión entre Drenador y Fuente es positiva y grande. Por si fuera poco, existen dos subtipos de MOSFET: de acumulación y de deplexión. Vamos a ver primero el de acumulación y luego vemos las diferencias con el de deplexión.

Su estructura geométrica es la que ves en la figura de abajo (hemos puesto al transistor tumbado, procura no liarte con eso). Vamos a empezar por la zona de corte: el voltaje entre Puerta y Fuente es pequeño o incluso nulo:

El sustrato de semiconductor de tipo P que conforma la base del transistor se llama precisamente así: Sustrato. Fíjate en que está conectado a la Fuente (S) , y de hecho en algunas representaciones del transistor MOSFET se muestra el conector del Sustrato y esa conexión entre Sustrato y Fuente, como por ejemplo en la que ves a la derecha (pero que el dibujo no te confunda, es el mismo transistor que dibujábamos al iniciar este epígrafe; son dos símbolos para el mismo componente). Lo que hay son dos islas de tipo N dentro de ese sustrato de tipo P. El canal que separa ambas islas se recubre con un material aislante, dióxido de silicio, SiO2. Y finalmente se termina con una placa de metal a la que se pone un conector, y lo llamamos Puerta (G). De ahí el nombre del transistor: recuerda que era Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor (transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor).

¿Qué ocurre cuando la tensión entre Puerta y Fuente-Sustrato es nula, como en nuestro dibujo (zona de corte). Dado que entre ellas no hay tensión, no puede circular corriente de Puerta a Fuente-Sustrato. La Fuente, además, está conectada al Sustrato, de modo que entre Drenador y Sustrato sí hay una tensión. Pero fíjate que el Drenador es N y el Sustrato es P. Es decir, que lo que tenemos ahí es simplemente un diodo en inversa, por el cual no circula corriente. Es decir, el transistor en este estado no es más que un circuito abierto, un aislante.

¿Qué ocurre cuando la tensión entre Puerta y Fuente-Sustrato es alta (zona de saturación)?

 

Hay una tensión positiva entre Puerta y Sustrato… pero como lo que hay entre medias es un óxido aislante, la corriente no puede circular por ahí. Se produce entonces un efecto condensador en esa zona (de ahí lo de Field Effect), de modo que los electrones del Sustrato suben hacia arriba, acercándose hacia la Puerta, pero sin llegar jamás a alcanzarla. Se ha creado entonces un canal de electrones entre Drenador y Fuente… y como ahí hay voltaje positivo, esos electrones empiezan a moverse (hacia la derecha, en nuestro dibujo; es decir, la corriente circula hacia la izquierda). Como tanto la Fuente como el Sustrato están conectados a la pila, llegarán nuevos electrones que reemplacen a esos que se han movido.

Como decíamos, esto es un transistor MOSFET de acumulación de canal N, pero existe otro: el de deplexión.

En este caso lo que se hace es unir, durante el proceso de fabricación, las dos islas N con una línea N. Fíjate en el dibujo: para mí el nemotécnico es que la línea discontinua del de acumulación indica que por defecto el canal no está formado; mientras que la línea continua del de deplexión indica que por defecto sí estaba.

En esta situación, cuando no hay tensión entre Puerta y Fuente-Sustrato, ¡el canal ya está cerrado! Recordemos que decíamos que el semiconductor de tipo N tenía un electrón en la capa 4, de modo que era un conductor. Así pues, dado que hay voltaje entre Drenador y Fuente, circula corriente por ellos. Es decir, están en zona de saturación.

¿Qué ocurre ahora si meto voltaje entre Puerta y Fuente-Sustrato?… pero vamos a hacer un malabarismo: vamos a meter voltaje negativo entre ellos. O dicho de otro modo, vamos a meter voltaje entre Fuente-Sustrato y Puerta.

 

 

En este caso se produce el mismo efecto condensador que veíamos antes… pero al revés. Dado que el voltaje es al revés, el campo eléctrico que se ha formado es al contrario, y en lugar de atraerse electrones hacia la Puerta, se alejan de la puerta. Por lo tanto, lo que queda en el canal es una línea de material N al que le falta un electrón (lo he representado con N-). Precisamente le falta el electrón que estaba en la capa 4, el que antes producía la conducción entre Drenador y Fuente. Es decir, ese material N- ya no es conductor, es aislante. Por lo tanto ya no existe el canal entre Drenador y Fuente y ya no circula corriente. Es decir, está en zona de corte.[5]

Fíjate en que sigue habiendo tensión entre Drenador y Sustrato, pero como son respectivamente N y P, eso es simplemente un diodo en inversa, y por tanto tampoco circula corriente.

Date cuenta de que las zonas son, en cierto modo, al revés del transistor de acumulación. En el de acumulación, cuando “no hacíamos nada”, no circulaba corriente; y cuando poníamos tensión positiva, empezaba a circular. En el de deplexión, cuando “no hacemos nada”, sí circula corriente; y cuando ponemos tensión negativa, deja de circular. En fin, cada uno tiene su aplicación.

No podemos terminar el apéndice sin mostrar la relativa sencillez con que se fabrica una puerta lógica con esta tecnología. Recuerda que la tecnología CMOS era un transistor NMOS y otro PMOS (de acumulación, como sabemos ahora), puestos en contraposición. Veamos cómo sería el corte transversal de una puerta NOT con esta tecnología.

 

 

 

  1. Cuando no está ionizado, que es nuestro caso. []
  2. En realidad, como sabrás si conoces algo de química, tienen querencia a tener la última capa completa… pero no todas las capas tienen 8 electrones, así que a veces se quedan completas con otro número de electrones. No obstante, para los elementos de la parte media, que son los que vamos a usar, se necesitan 8 electrones en la última capa. []
  3. No es casualidad que los elementos que tienen electrones en la capa 4 empiezan a ser los que usamos para conducir la electricidad; por ejemplo, el hierro o el cobre. []
  4. Recuerda que la corriente, como concepto matemático, era positiva en el sentido del movimiento de las cargas positivas. Por lo tanto, como aquí lo que se mueven son cargas negativas (electrones), la corriente matemática se define al contrario del movimiento de los electrones. []
  5. Por cierto: si lo que metemos entre Puerta y Fuente es voltaje positivo, simplemente no pasa nada, se queda como estaba, en zona de saturación. []

Sobre el autor:

J ( )

 

{ 9 } Comentarios

  1. Gravatar Macluskey | 27/08/2012 at 07:40 | Permalink

    ¡Qué gran explicación, J!

    Yo todo esto me lo perdí en la Carrera… en mi época de estudiante estas cosas apenas existían, y después, algo leí sobre los transistores que dominarían el mundo… pero debo reconocer que para mí, como para el 99% de mi generación, los transistores servían para… ¡escuchar la retransmisión de los partidos del fin de semana!!! ;)

    Y ya ves, valen para más cosas… ¡qué cosas!

  2. Gravatar javier Cuesta | 29/08/2012 at 04:54 | Permalink

    Macluskey, como creo que te voy conociendo ;) , te dejo este enlace que creo que te va a gustar: es un transistor un poco más “molón” que los de estado sólido que nos presenta J:

    http://es.wikipedia.org/wiki/V%C3%A1lvula_termoi%C3%B3nica

    Si no ando muy desencaminado ese es el origen de los transistores, es el que se veía encima de las teles viejas y que hacía falta cambiar cuando se fundían.

    Decirte que en caso de pulso electromagnético (riesgo que se reduce a que te tiren una bomba nuclear y estés lo suficientemente cerca como para sufrirlo pero lo suficientemente protegido como para no morir con la explosión) estos transistores seguirán funcionando mientras que los semiconductores no.

    Todo ejército que se precie tiene unos cuantos de estos pa emergencias en stock…

  3. Gravatar Macluskey | 29/08/2012 at 07:41 | Permalink

    Je, Je… Cómo me conocéis, eh?

    El caso es que cuando yo empecé a trabajar, con Franco todavía vivito y coleando, los ordenadores no tenían ya válvulas de vacío, creo yo… igual cuento cómo era aquella memoria entonces más adelante, si J me da su permiso. ;)

    Lo que sí que era de válvulas era la tele de mis padres… en perfecto blanco y negro (o mejor, gris y gris), era un cajón cúbico de lo menos 90 cms de lado y la pantalla igual era de 14 pulgadas ¡o quince!

    No había que sintonizarla: estaba puesta para recibir el Canal 2, o sea, la Tele, la única que había, que se transmitía en directo y de vez en cuando ponían un cartel de “Perdón por la interrupción. En cuanto buenamente podamos, volvemos a emitir…” … y tenía un montón de válvulas de vacío que se fundían de tanto en cuando y había que llamar al técnico para que las cambiara…

    Uf. Qué joven era yo (un niño, de hecho).

  4. Gravatar J | 30/08/2012 at 07:10 | Permalink

    Supongo que publicaremos el anexo de Mac sobre las memorias de ferrita después de contar nuestra memoria de transistores (ni que decir tiene que se está quedando con vosotros: dicho anexo lleva meses escrito).

  5. Gravatar Macluskey | 30/08/2012 at 07:04 | Permalink

    Jooo, J…. ¡has estropeado la sorpresa!! :D

  6. Gravatar Juan Carlos | 14/12/2012 at 05:29 | Permalink

    Releyendo este completísimo artículo, me encontré algunas veces con la palabra “semicondutor” (falta la “c”) :)

    Saludos

  7. Gravatar J | 14/12/2012 at 06:08 | Permalink

    Qué vergüenza, nada menos que en el título. Gracias, corregido.

  8. Gravatar Nicolas | 22/05/2015 at 02:44 | Permalink

    El ánodo de la pila es su polo positivo, el catodo es el negativo

  9. Gravatar Roger Balsach | 22/05/2015 at 10:19 | Permalink

    Nicolas, por norma general el ánodo es negativo en todos los sistemas que proporcionan energía, y positivo en los sistemas que consumen energía. Al revés con el cátodo. Por lo tanto, en una pila el ánodo es el polo negativo y el cátodo positivo.

    Roger ;)

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