Desde que apareció la primera aplicación en 1915 con el detector de galena, hasta 1939-40, se puede decir que fue un periodo de incertidumbre, luego en 1948, apareció el transistor de puntas; en 1950 el transistor de Shockley; en 1953 el diodo de túnel; en 1958 el tecnetrón, y en 1960 los circuitos integrados, etc. .

Por medio de los métodos químicos y fiscos habituales es imposible descubrir estos residuos tan nimios de impurezas. Ha sido necesario idear nuevos procedimientos de análisis basados en los fenómenos eléctrico-magnéticos, fotomagneto-eléctricos, etc.

Antes de 1940, los fenómenos que se desarrollaban en los semiconductores eran, desde muchos puntos de vista, bastante misteriosos. La conductibilidad eléctrica de estos cuerpos, siendo notablemente inferior a la de los metales, no era suficientemente alta para considerarlos como aislantes; además, en muchos casos aumentaba rápidamente la conductibilidad con la temperatura, lo que constituía un fenómeno desconocido en los metales.

Actualmente, en el vasto campo de los semiconductores se emplean mezclas de óxidos de metales: cobre, uranio, manganeso, níquel, cobalto, hierro, etc., según sea su aplicación y el fenómeno que se desee utilizar, pues en unos su resistencia eléctrica varia con el calor, en otros con el potencial eléctrico empleado, en otros aún con la luz o con la cantidad de flujo magnético a que estén sometidos. También son muy empleados el selenio, el silicio, el germanio, etc., y ahora empiezan a emplearse combinaciones como antimoniouro de indio, seleniuro de cadmio, sulfuro de plomo, etc. Igualmente se utilizan mezclas de óxidos tales como el óxido ferroso-férrico o magnetita y combinaciones oxigenadas de titanio, Magnesio, Cromo, Circonio, etc. El Titanato de cinc y el Aluminato de Magnesio, etc. , se emplean principalmente para la fabricación de los llamados termistores, cuyo nombre deriva de la contracción del término inglés thermal-resistor (resistencia térmica) o resistencias NTC ( Negative Temperature Coefficient ).

En el año 1947 un grupo de científicos de los Laboratorios BELL, John Bardeen, William Shockley y Walter Brattain, descubrieron uno de los primeros Semiconductores que podría reemplazar al TUBO, y ese sería el DIODO hecho de GERMANIO (ubicado en la TABLA PERIÓDICA dentro del grupo de los Metaloides), que teniendo una cierta cantidad de impurezas podría trabajar como rectificador.

RECTIFICADORES.

Los Rectificadores, que tienen valores muy diferentes de resistencia según sea la polaridad de la corriente, tal como el óxido de cobre, el selenio, el silicio, el germanio, etc. Dentro de este grupo hay que citar los que, además, varían con la tensión que se les aplica (diodos de Zener, protectores de contactos y sobretensiones).

El funcionamiento de los rectificadores sólidos, o sea, de semiconductores, se basa, como ya hemos dicho, en la gran resistencia que presentan al paso de la corriente en un sentido, con diferencias de 5.000 a 25.000 veces más que en sentido opuesto, según los materiales.

Estos rectificadores están constituidos por una capa de óxido cuproso formado sobre una placa de cobre (generalmente de Chile) limpiado químicamente y oxidado en atmósfera de aire a temperatura de 1.000° C. durante diez o veinte minutos para formar una capa de óxido cuproso de aproximadamente 0,1 m/m, sometida después durante algunos minutos a 550° C. y enfriada bruscamente en agua. En esta segunda fase se ha formado una capa de óxido negro que debe ser eliminado por acción química. Para establecer el contacto sobre la superficie del óxido, se les recubre con una capa metálica depositada por proyección a pistola, evaporación o deposición galvanoplástica.

También existen rectificadores de sulfuro de cobre al magnesio, que se montan en la fabricación sobre placas de magnesio. Son mucho más livianos que los de óxido de cobre y pueden soportar algo más de temperatura, pero son menos eficaces.

En este tipo llamado Ploxid, el disco o placa de cobre oxidado ha sido sustituido por plomo también oxidado. Cuando la corriente pasa en sentido óxido-plomo encuentra una resistencia de unos 40 ohmios, mientras en sentido contrario la resistencia es de unos 200.000 ohmios (200 K OHM).

Tensión directa: el negativo se aplica al cobre o soporte y el positivo al contacto o recubrimiento exterior.

Tensión inversa: el cobre es positivo y el recubrimiento negativo; generalmente esta tensión no debe exceder de cuatro voltios.

En la fig.1 se podrá observar que, cuando la tensión es directa, al pasar de 0,1 a 1 voltio la resistencia se reduce más de 1.000 veces y, por tanto, puede ser colocada en paralelo en cualquier circuito para que actúe como derivación cuando el voltaje correspondiente sobrepasa al valor normal (diodo Zener).

Fig.1 Curva característica de los diodos de Cobre-Talio.

La fig.1 corresponde a la curva característica de la resistencia-voltaje de dos diodos Talio-Cobre de 38 mm de diámetro conectadas en oposición para lograr una curva simétrica en ambos sentidos (corriente alterna). Hasta 0,1 voltio la resistencia es de 10.000 ohmios (10 K OHM) y al llegar al voltio ha descendido hasta 5 ohmios.

Su composición y formación es distinta a la de los rectificadores de cobre, pues requieren la acción de la corriente eléctrica para formar la película rectificadora, y están compuestos por una placa de hierro recubierta por una cara con una fina capa de selenio el cual, después de un tratamiento térmico, es recubierto por una capa de un metal blando que, forma el otro electrodo. La corriente circulará fácilmente del hierro al selenio, pero en sentido contrario encontrará una gran resistencia. La temperatura máxima de trabajo es de 75° C., la carga continua aproximada que pueden soportar sin refrigeración es de unos 50 mA por centímetro cuadrado. Las tensiones inversas que pueden soportar oscilan de 14 a 24 voltios, aunque últimamente y con nuevas técnicas de fabricación han aparecido tipos con tensiones inversas bastante mayores.

Para lograr la deposición homogénea y sin impurezas de la fina capa de selenio, se utiliza el procedimiento llamado de mentalización por alto vacío. Nunca se debe hacer trabajar prolongadamente a estos rectificadores a una corriente continua inversa máxima, pues ésta tiende a incrementar lentamente las corrientes inversas llegando a alcanzar valores peligrosos. Por esto hay que tomar siempre valores inferiores a los indicados como máximos en las tablas de los fabricantes. En corriente alterna no se presenta este efecto y por tanto pueden soportar indefinidamente las Corrientes máximas.

Al proyectar un rectificador es necesario consultar con el fabricante las cargas máximas de seguridad admisibles y contrastarlas en la practica, teniendo en cuenta que la temperatura de las placas nunca debe llegar a los 70° C. o más; de lo contrario su destrucción será rápida. Hay que procurar la máxima refrigeración, pues cuanto más frías trabajen dichas placas mejor será su rendimiento y duración.

Esta clase de rectificadores consta de un trocito o cristal de germanio y una punta de contacto de hilo de tungsteno, encerrados ambos en una cápsula hermética o botella de vidrio.

El hecho de que un cristal de germanio, con una reducida área en la punta de contacto sobre su superficie, actúe como rectificador, puede explicarse suponiendo la existencia de una capa barrera natural, formada en el momento de hacerse la unión física en la superficie de contacto del cristal, la cual desaparece cuando se aplica tensión positiva (+) al hilo de tungsteno y una tensión negativa (-) al cristal germanio de tipo N, y en cambio presenta una gran resistencia si se le aplican tensiones inversas.

Se dan numerosas explicaciones acerca de la naturaleza de esta barrera, ninguna de las cuales es completamente satisfactoria.

Fig.2 Curva característica de un detector de Germanio.

Los de tipo de alta tensión inversa, fabricados con germanio de gran pureza.

Los de baja resistencia que contienen germanio provisto de impurezas apropiadas.

Recuperan sus características después de variaciones de temperaturas de -40 a +70° C, tienen un tamaño muy reducido y son de fácil montaje.

Permiten Corrientes medias de hasta 50 mA y pueden soportar sin peligro sobrecargas transitorias importantes.

Tienen elevadas tensiones inversas (de 50 -120 V), las últimas investigaciones han permitido ya modelos con tensiones inversas superiores a 350 V Peak.

También se recomienda no ensayar nunca los diodos con megóhmetros o instrumentos similares de tensión elevada, pues podrían inutilizarlos. Si se les quiere comprobar, se debe hacer con un óhmetro de pilas y tensión máxima de 4,5 V, y preferiblemente del modo indicado en la figura con el que se podrán determinar las características directas e inversas.

El germanio fue descubierto por Winkler en 1886, quien le dio el nombre en homenaje a su patria.

El germanio tiene especial interés histórico porque su existencia fue prevista 15 años antes por Mendeleieff (1871) en su famosa escala de clasificación periódica de los elementos existentes en la naturaleza, con el nombre de (Ekasilisium).

Aparece como una impureza del carbón en una proporción de 0,002% y al quemarse el cok se aumenta su concentración, llegando al 1% en el polvo que queda en las grandes chimeneas de las grandes instalaciones siderúrgicas. Su aspecto es parecido al estaño, pero su precio es tan elevado como el oro. En estado puro es aislante, para su empleo en los transistores, que requiere una gran pureza, se ha llegado a la proporción de 1 por 10.000.000 siendo uno de los materiales de mayor pureza conseguidos.

Cuando se le añaden pequeñas impurezas determinadas en proporción de 1 por 1 millón, conduce la electricidad. La adición de estas impurezas tan pequeñas de modo que queden bien repartidas es una operación extremadamente difícil. Mezclar una parte de arsénico en un millón de partes de germanio puro, seria lo mismo que añadir una cucharada de sal en un recipiente de sopa equivalente a 6 grandes camiones tanques y garantizar que esté bien repartida en todo el recipiente.

La corriente eléctrica suele ser considerada como un flujo de electrones. Uno de los conceptos más importantes en la teoría del semiconductor es que la corriente eléctrica puede ser considerada no sólo como un flujo de electrones, sino también como un flujo de huecos (iones) cargados positivamente.

Para hacerse una idea del concepto de huecos y su movimiento, consideremos el siguiente ejemplo: un garaje lleno en el que sólo hubiese un espacio de aparcamiento vacante, situado en el fondo del mismo (fig.A). Supongamos ahora que llega un coche a la entrada del garaje. El encargado del aparcamiento desplazará algunos de los coches hacia el fondo para acomodar al nuevo coche. En esencia lo que habrá hecho el empleado será desplazar el espacio vacante hacia delante, o sea, hacia la entrada del garaje (fig.B). Por lo tanto ha sido desplazado el hueco en dirección opuesta al flujo de coches.

Cuando prevalece la situación contraria y son los huecos los que están en exceso, al semiconductor se le denomina tipo P, a causa de que la mayor parte de la corriente es transportada por cargas positivas (huecos). En este caso los electrones son los portadores minoritarios. 

El germanio tiene un núcleo y 32 Atomos; 4 de estos Atomos, llamados de valencia, son los que forman las uniones con los demás Atomos de otros elementos; los 28 restantes están fuertemente ligados y no pueden representar ningún papel en la combinación eléctrica.

Supongamos que introducimos una impureza, por ejemplo el arsénico, que tiene 5 átomos de valencia; como solo se precisan 4 para enlazar con los del germanio, sobra uno, que puede moverse libremente, y como es portador de una carga negativa, este germanio será denominado de tipo N y tiene la máxima conductibilidad para las cargas negativas. Al arsénico se le denomina <donador> así como al fósforo y al antimonio, también empleados para ello.

Si en vez de arsénico introducimos boro o aluminio que sólo tienen 3 electrones de valencia, el que quedará libre será uno de germanio, o sea, de los llamados <huecos> que son de signo positivo, denominándose entonces germanio tipo P y a este tipo de impurezas se les llama <aceptadores>. Este tipo de germanio tiene la máxima conductibilidad para las cargas positivas.

Cuando se aplica una tensión a través de un trozo homogéneo de silicio o germanio habrá deslizamiento de los electrones hacia el electrodo positivo y de los huecos hacia el electrodo negativo, pues polos opuestos se atraen.

Si se ponen en contacto dos trozos de germanio de los anteriormente mencionados, o sea, uno positivo y uno negativo, y hacemos circular la corriente de una pila, pueden suceder dos cosas:

a) Si aplicamos al polo positivo (+) de la pila al germanio P y el negativo (-) al germanio N, las cargas positivas de las pilas repelerán a los electrones positivos y libres del germanio y las cargas negativas a los electrones negativos, respectivamente (pues cargas del mismo nombre se repelen), obligándolas a concentrarse en la zona del contacto de los dos germanios; entonces, como los electrones negativos son atraídos por los positivos P (pues las cargas contrarias se atraen), una pequeña tensión aplicada será suficiente para que circulen por la superficie de contacto, corrientes relativamente intensas, y a este sentido de conducción se le llama polarización directa.

b) Si por el contrario, aplicamos al germanio P el polo negativo(-) y al N el polo positivo(+), los electrones se alejarán de la superficie de contacto, aumentando ésta su resistencia hasta convertirse casi en aislante; a este sentido se le llama de polarización indirecta o inversa.

Estas propiedades hacen que se empleen para la rectificación, o detección, habiéndose llegado a construir rectificadores de germanio de grandes intensidades y con rendimientos de un 99 %, mientras que con las válvulas sólo se ha llegado a un máximo de un 80 %.

Se han construido ya rectificadores de silicio de 50 kW, lo que permite reemplazar a los antiguos rectificadores de vapor de mercurio de descarga gaseosa.

Aunque las propiedades del silicio eran conocidas desde muchos años, hasta 1957, en que fue conseguido el silicio extrapuro, no fue posible su adopción para grandes potencies. La pureza es la clave del éxito de dichos rectificadores, pues con ellos se han realizado uniones cuya punta de Corriente inversa se aproxima a los 2.000 V.

Rectificadores de silicio para tensiones elevadas.

El SILICIO no se encuentra libre en la naturaleza. El hombre empleó ya la sílice en tiempos prehistóricos (pedernal), abundantísimo compuesto de silicio, pero éste no fue reconocido como elemento hasta el siglo pasado y en el año 1823 fue aislado por primera vez por Berzelius.

Se sabe desde hace mucho tiempo que el silicio servía para rectificadores pero resultaba difícil conseguir una elevada pureza, por ser un material que fácilmente reacciona con otros componentes, como son los crisoles de grafito o de cuarzo, etc. Con recursos físicos y tecnológicos se han podido vencer las dificultades principales, obteniéndose ya silicio de gran pureza, si bien con adiciones de otros materiales para determinar la conductibilidad, en forma análoga a como se hace en el germanio.

El SILICIO tiene 4 electrones de valencia, y adicionando una pequeña parte de boro, que tiene 3 electrones de valencia, quedará 1 libre de silicio, o sea, un hueco; Por tanto, será positivo (+) y se le denominará silicio P.

Si el SILICIO tiene 4 electrones de valencia, y le adicionamos antimonio, que tiene 5 electrones de valencia, el que quedará libre será 1 de antimonio que, como es donador; Por tanto, será negativo (-) y se le denominará silicio N.

Las ventajas principales del silicio son que puede soportar temperaturas mas altas, normalmente 100° C y en algunos casos 200° C. Pueden también soportar Corrientes inversas de varios cientos de voltios por elemento, (2.000 PIV (Peak Inverse Voltage) y 800 Vef(Voltage efective)).

Fig.6 Curva característica de un rectificador de silicio.

No es conveniente trabajar con temperaturas altas, porque las pérdidas con Corrientes inversas aumentan considerablemente y porque es necesario dejar un margen de seguridad para las sobrecargas.

En muchos aspectos el rectificador de Silicio es mejor que el de Germanio. Se le construye con placas de pocos milímetros cuadrados, montadas de forma que pueden disipar el calor generado en su interior, siendo ésta la principal limitación de su carga, pues, por lo demás, este material admite grandes intensidades.

El material de recubrimiento o contacto normalmente usado es el Indio con una capa de Molibdeno, que tiene una dilatación muy similar a la del Silicio, para compensar las tensiones mecánicas producidas por las temperaturas.

Si los rectificadores llevan placas o aletas para su refrigeración, hay que procurar montarlas de forma que queden en posición vertical, a fin de que haya una buena circulación del aire entre ellas por convección; cuando se montan varios, no deben estar muy próximos para no dificultar su enfriamiento.

La sensibilidad frente a las sobrecargas, aunque sean pasajeras, representa un problema especial para todos los dispositivos de semiconductores, principalmente los de alta potencia, pues la capacidad térmica de las capas de los semiconductores es muy pequeña y esto hace subir rápidamente su temperatura, mientras la transmisión de este calor al cuerpo refrigerante adolece de relativa lentitud, resultando, por tanto, muy peligrosa.

Más tarde en 1948, John Bardeen, William Shockley y Walter Brattain, continuando con las investigaciones, descubren que al mezclar más elementos o cristales pertenecientes al grupo de los Metaloides, midiendo valores resistivos y aplicándoles señales o corrientes, obtenían como resultado una amplificación de éstas. El controlar las resistencias (polarizando sus junturas) es lo que hacía al semiconductor, bautizado como Transistor (TRANSFER RESISTOR = Transferencia de Resistencia), ser usado como un conductor o un no conductor y especialmente como Amplificador de señales. Sus fundamentos han sido descrito como el fenómeno físico más sorprendente y uno de los avances científicos más grandes de nuestra época, y también el más importante dentro de la electrónica después de que, a fines del siglo pasado, Fleming, estudiando el efecto Edison, inventó la válvula diodo, que posteriormente perfeccionaron Lee de Forest y Langmuir, ideando el triodo.

Las válvulas han mantenido su supremacía durante más de 40 años, pero a pesar de sus grandes progresos y perfeccionamientos necesitan 1 vatio de consumo para amplificar un microvatio, mientras el transistor tiene un rendimiento de un 25 a un 40 %, y sólo necesita una potencia un millón de veces menor que la válvula; además, éstas tienen actualmente un volumen relativamente grande.

Sus fundamentos es en último extremo el mismo que el de los rectificadores o diodos de Germanio y Silicio.

Los materiales empleados son, entre otros, el Germanio y el Silicio, porque tienen la propiedad de que puede acelerarse grandemente el movimiento de los electrones por medio de una corriente eléctrica.

En cambio, el otro disco exterior N se polariza en sentido directo con respecto a la base P, es decir, que el diodo así formado es conductor, y éste electrodo se denomina emisor (la unión NP, emisor-base).

Con el circuito de la figura 10 se pueden obtener ganancias o amplificaciones mucho mayores, pues las Corrientes del Colector también circulan por el Emisor. En este circuito cuando los electrones del Emisor llegan a la Base, sólo una mínima parte de ellos alcanzarán el borne de la pila de 1,5 V, porque, una vez en la Base, son atraídos con mayor fuerza por la pila de 6 V conectada al Colector, necesitando por lo tanto la corriente de Emisor a Base más pequeña, por lo que será más ventajoso este circuito.