XXVIII. UNA REVOLUCIÓN. SE INVENTAN LOS TRANSISTORES
UNA vez que se acabó la segunda Guerra Mundial se inició en los
Bell Laboratories, en Estados Unidos, un programa de investigación básica sobre
teoría de sólidos. Uno de los resultados de este esfuerzo fue el transistor.
En esa época la teoría cuántica, es decir, la teoría física que describe los
fenómenos microscópicos ya estaba bien establecida.1![[MCT 1]](../img/mcommnt.gif)
La teoría cuántica había abierto la posibilidad de entender las propiedades de los sólidos a partir de su estructura atómica. La dirección de los laboratorios Bell esperaba que a través de un proyecto de investigación interdisciplinaria se adquirieran suficientes conocimientos acerca de los sólidos para diseñar y fabricar materiales que se utilizaran en el desarrollo de nuevos y mejorados componentes y elementos para sistemas de comunicaciones.
Se formó el grupo para investigar los semiconductores, que estuvo integrado por los físicos Walter H. Brattain (1902- ), William Schockley (1910-1990), John Bardeen (1909- ), Gerald Pearson y el físico-químico Robert Gibney. Tanto Shockley como Barden habían estudiado a fondo la teoría cuántica mientras que Brattain había llevado un curso de posgrado en la materia.
En 1945 formaron otros grupos de estudio de semiconductores para estar al día en el campo. Se dieron cuenta de que durante la guerra se habían logrado notables avances en la utilización de los semiconductores silicio y germanio como detectores para el radar. Se había tenido que recurrir a estos semiconductores porque en el radar se empleaban señales eléctricas de muy alta frecuencia que los tubos al vacío, con todos los adelantos logrados, no podían manejar adecuadamente. Recordemos que en la primera parte del presente siglo ya se habían usado semiconductores (la galena, por ejemplo) como detectores de ondas electromagnéticas antes del invento del tubo al vacío. Durante la guerra varios laboratorios habían logrado progresos en la comprensión del comportamiento de los semiconductores, así como en la preparación de muestras de silicio y germanio.
Las propiedades eléctricas de las sustancias dependen del grado de libertad que tengan sus electrones. Para esto baste decir que los electrones de los átomos están acomodados alrededor del núcleo en capas, y en cada una hay un número máximo de electrones: dos en la primera capa, ocho en la segunda, 18 en la tercera, etc. Los electrones de un átomo van ocupando sucesivamente las capas, a partir de la interior, hasta llegar a agotar los electrones. Entonces, si un átomo tiene, digamos, ocho electrones (que corresponde al elemento oxígeno), dos ocupan la primera capa y los seis restantes ocupan la segunda; por lo tanto, en el oxígeno la última capa no queda completa. En la figura 47 se muestra un diagrama esquemático de la estructura de capas de los primeros once átomos de la tabla periódica. Así, el litio (Li) tiene solamente un electrón en su capa externa; el boro (B) tiene tres; el carbón, cuatro; el neón, ocho, o sea que queda completa. Con base a estos hechos se construye la tabla periódica de los elementos. Hemos de mencionar que en el siglo pasado el ruso Dimitri Mendeléev (1834-1907) ideó esta tabla en forma empírica, y que sólo pudo ser explicada con fundamento una vez que se aplicó la mecánica cuántica a la estructura atómica en el presente siglo.
Figura 47. Estructura de las capas electrónicas de algunos átomos.
Los electrones que están en capas completas quedan fuertemente atrapados al átomo, mientras que la atracción es débil para los electrones de la última capa, si ésta no está completa; así, mientras menos electrones haya en la última capa, menor será la fuerza con la que queden atrapados. Por lo tanto, en aquellos elementos con un solo electrón en su última capa, como éste está muy débilmente unido al átomo podrá separarse de él con mucha facilidad, y así este electrón quedará disponible para que el elemento conduzca muy bien electricidad. Átomos con un solo electrón en su capa externa son el sodio, el cobre, la plata, el oro, etc., elementos que son buenos conductores de electricidad.
Los átomos que tienen capas externas llenas de electrones ejercen una fuerte atracción sobre ellos y por tanto no son buenos conductores de electricidad. Para que sirvieran a este propósito se requerirían fuerzas muy elevadas sobre los electrones externos, que implicaría aplicar voltajes muy altos a la sustancia. Los elementos que tienen sus capas externas completas son el helio, el neón, el argón, etc., llamados gases nobles.
Los átomos y moléculas son entes que tienen niveles de energía bien definidos para cada uno de ellos. El estado que tiene el valor más bajo de la energía se llama base, mientras que los estados con valores mayores de la energía se llaman excitados (Figura 48). A la secuencia de niveles mostrada en la figura se le llama el espectro de energía del átomo en cuestión. Distintos átomos tienen diferentes espectros de energía. En cualquier instante el átomo solamente puede tener una de las energías de sus niveles, es decir, el átomo no puede poseer una energía que tenga un valor que se encuentre entre dos valores de sus niveles. Se dice que la energía está cuantizada. Si el átomo experimenta determinado proceso es posible que cambie su energía, por ejemplo, a causa de una colisión con otro átomo, de una descarga eléctrica, de calentamiento, etc. En este caso, el átomo puede pasar del nivel de energía en que se encuentra a otro nivel, por ejemplo pasar del estado base al primer estado excitado, o al segundo, etc., pero solamente puede empezar y terminar en él alguno de sus niveles permitidos. Esto significa que en las transiciones del átomo, los cambios de energía que puede experimentar son iguales a las separaciones (DE)1, (DE)2 etc., que corresponden a las diferencias de las energías entre cualquier pareja de sus niveles (Figura 48). Así, se dice que hay una transición entre los niveles involucrados. Por otro tipo de motivos que no vienen al caso, puede ocurrir que alguna de estas transiciones esté prohibida.
Figura 48. Espectro de energía de un átomo.
Ahora bien, si la transición es de un nivel bajo a otro superior, se dice que el átomo absorbe energía (igual a la diferencia entre los valores de las energías de dichos niveles); mientras que si pasa de un nivel alto a otro más bajo, se dice que el átomo emite energía (igual a la diferencia entre los valores de las energías de dichos niveles). Lo anterior significa que un átomo solamente puede absorber o emitir energía en cantidades perfectamente determinadas, que son iguales a los valores de las diferencias de las energías entre las parejas de niveles cuyas transiciones sean permitidas.
Hasta este momento hemos hablado solamente de átomos aislados, que no experimentan ninguna fuerza. Sin embargo, cuando los átomos forman un sólido ocurren fenómenos colectivos entre ellos puesto que sus densidades son muy altas, lo que significa que están muy juntos, por lo que las fuerzas que ejercen unos sobre otros son de gran consideración; como consecuencia, los niveles de energía de los electrones se modifican considerablemente. Ahora, en lugar de tener un conjunto de valores bien precisos, se forman intervalos de energías permitidas separados por valores de energía que son prohibidos. En la figura 49 se muestra un diagrama de la energía de un sólido hipotético. En este caso, los electrones pueden tener energías entre los valores E1 y E2, entre E3 y E4 etc. Sin embargo, no pueden tener energías entre E2 y E3. Al dominio de energías que sí pueden ser adquiridas se les llama bandas permitidas y al dominio en que no pueden tenerlas se les llama bandas prohibidas. Se dice que los sólidos tienen una estructura de bandas. Ahora bien, los electrones que tienen los átomos de un sólido van ocupando las bandas permitidas de abajo hacia arriba consecutivamente, de manera análoga a como lo hacen en átomos aislados. Una vez que se ocupa una banda, los electrones restantes, si es que los hay, empiezan a ocupar la siguiente banda permitida.
Figura 49. En un sólido, el espectro de energía forma bandas tanto permitidas
como prohibidas.
Hay varias posibilidades, una de ellas es que los átomos de una sustancia vayan llenando las capas permitidas y que todavía queden electrones que al empezar a ocupar la última banda permitida no la llenen completamente. Los electrones que estén en la última banda incompleta podrán desprenderse de los átomos con mucha facilidad, por tanto, podrán conducir muy bien electricidad y la sustancia es, en consecuencia, un buen conductor de electricidad.
A las bandas que se ocupan completamente se les llama bandas de valencia y a las que se ocupan parcialmente se les llama de conducción.
Otra posibilidad es que los electrones de un sólido llenen completamente las bandas permitidas y al completar la última ya no haya más electrones disponibles. Por la tanto la siguiente banda permitida, que sería de conducción, queda vacía. Pueden ahora darse dos casos.
1) En el primero, la separación de DE entre la última banda de valencia (completa) y la de conducción (vacía) es muy grande. En este caso, para que un electrón que está en la parte superior de la banda de valencia pueda pasar a la de conducción tiene que adquirir por lo menos la energía DE, que en general es muy difícil de dar externamente. Hay varias maneras de proporcionar esta energía: por medio de un voltaje, que en nuestro caso sería extremadamente alto, o bien, aumentando la temperatura del sólido, que también tendría que ser un aumento desproporcionado. En consecuencia, los electrones quedan bien unidos a los átomos y no pueden dar lugar a una corriente eléctrica. Este es el caso de un aislador.
2) El segundo caso es cuando la separación entre la última banda de valencia (completa) y la de conducción (vacía) es muy pequeña. Si la temperatura es relativamente baja no hay electrones en la banda de conducción y por consiguiente la sustancia se comporta como un aislador. Sin embargo, con una energía muy pequeña que se le proporcione, por ejemplo, con un pequeño voltaje o bien con un ligero aumento de temperatura, varios electrones pasarán a la banda de conducción sin llenarla, y por tanto, la sustancia se comportará como un conductor. A este tipo de sólidos se les llama semiconductores. En su fase sólida el germanio y el silicio son ejemplos de semiconductores.
Otra forma de explicar lo anterior es la siguiente: los semiconductores están
constituidos por átomos que tienen cuatro electrones en su última capa. Cuando
forman un sólido (Figura 50), cada electrón es compartido por dos átomos vecinos.
Se puede decir que el electrón de un átomo se mueve hacia el hueco que hay en
la última capa (que no está llena) del átomo vecino. A este tipo de comportamiento
se le llama ligadura covalente. Por tanto, en esta sustancia no hay electrones
disponibles para conducir electricidad. En esta situación la banda de conducción
del sólido está vacía. Si se le aumenta un poco la temperatura al semiconductor,
algunos de los electrones se escaparán y ya no formarán la ligadura covalente;
estos electrones pasaron a la banda de conducción y están disponibles para conducir
electricidad.
Figura 50. La última capa de un semiconductor (en este caso germanio, Ge)
tiene cuatro electrones, que son compartidos con el átomo vecino. Esto es la
covalencia. Los círculos negros denotran electrones.
Supongamos ahora que en el semiconductor se sustituye uno de los átomos por otro que tenga cinco electrones de valencia, por ejemplo un átomo de fósforo (Figura 51). En este caso, cuatro de los electrones de su capa exterior se ocuparán de formar ligaduras covalentes con los átomos de germanio vecinos, mientras que el quinto electrón, por decirlo así, queda libre. Este puede servir para conducir electricidad. En consecuencia, se puede mejorar la capacidad de conducir electricidad de un semiconductor introduciéndole impurezas o, como se dice en la jerga de los especialistas, "dopándolo" (del inglés dope). A un semiconductor así dopado se le llama N.
Figura 51. Una impureza de fósforo (P) permite que haya un electrón libre,
que sirve para conducir la electricidad.
Otra posibilidad sería reemplazar uno de los átomos del semiconductor por otro que tenga solamente tres electrones en su capa externa, como por ejemplo, el boro (Figura 52). En este caso, los tres electrones del boro sirven de ligaduras con átomos vecinos, quedando la cuarta de las ligaduras vacía. Ahora uno de los electrones de un átomo vecino forma la ligadura faltante, pero al hacerlo deja un hueco en el átomo que ocupaba originalmente. En seguida, un electrón de otro átomo pasa a ocupar el lugar faltante, dejando a su vez un hueco y así sucesivamente. Nos damos cuenta de que el hueco o agujero se ha ido propagando. Estos agujeros tienen la misma masa que el electrón, pero debido a que efectivamente es una ausencia de electrón, o sea de carga negativa, el agujero tiene carga efectiva positiva. Por tanto, este semiconductor con impurezas de boro da lugar a una corriente eléctrica de agujeros positivos que tiene sentido opuesto a la de una corriente de electrones. Los agujeros se comportan como si fueran partículas. A este tipo de semiconductor se le llama P. Lo que ocurre es algo similar a cuando se tiene una hilera de monedas (Figura 53) con una faltante. Cuando cada moneda se mueve para ocupar el espacio vacío, el agujero se mueve a lo largo de la hilera en sentido opuesto a las monedas.
Figura 52. Una impureza de boro (B) da lugar a un déficit de un electrón, que equivale a un agujero positivo.
En cualquiera de los dos casos, la conductividad eléctrica del semiconductor se aumenta sustancialmente si se le añaden impurezas de cualquiera de los dos tipos en partes por millón. Una consecuencia importante es que en semiconductores con impurezas el número de electrones que conducen electricidad puede ser controlado.
Juntemos dos bloques, uno de semiconductor P y otro N. La magnitud de la corriente eléctrica que fluya depende del sentido del voltaje aplicado. Si el bloque P se conecta a la terminal positiva de una batería (Figura 54) y el N a la terminal negativa, entonces ocurre lo siguiente: como en el bloque P hay agujeros positivos, éstos son repelidos hacia el bloque N y atraídos hacia la terminal negativa B; por tanto, hay una corriente de agujeros de A a B, es decir, a través del dispositivo y llegan a la batería. Por otro lado, en el bloque N hay electrones negativos que son repelidos por B y atraídos por A; en consecuencia, los electrones fluyen de B a A cruzando el dispositivo y llegando a la batería. En resumen, hay una doble corriente eléctrica: de electrones negativos de B a A y de agujeros positivos de A a B. Estas corrientes son, en general, apreciables.
Figura 54. Un bloque N y otro P unidos permiten el paso de corriente eléctrica si están conectados a la batería como se muestra.
Veamos ahora qué ocurre si se conectan los bloques de manera opuesta. En este caso, los agujeros de P son atraídos hacia A y repelidos por B, con el resultado de que no cruzan el dispositivo. Por otro lado, los electrones de N son atraídos por B y repelidos por A, lo que ocasiona que tampoco crucen el dispositivo. En consecuencia, no hay corriente a través del dispositivo y el circuito está, de hecho, abierto.
En resumen, en el dispositivo mostrado en la figura 54 solamente circula electricidad cuando la polaridad de la batería es la que se muestra en la figura, mientras que si se invierte la polaridad, no hay corriente. Se puede también pensar que este fenómeno ocurre debido a que la resistencia del dispositivo no es la misma cuando la corriente circula en un sentido que cuando circula en el opuesto. En un sentido la resistencia es muy pequeña y por tanto es fácil que circule electricidad, mientras que en el sentido opuesto la resistencia crece enormemente impidiendo la corriente eléctrica. De esta forma se consigue un dispositivo que funciona de manera similar al diodo construido con un tubo al vacío (descrito en el capítulo XX) y recibe el nombre de diodo semiconductor; debido a sus propiedades descritas se utiliza como rectificador de corriente (véase de nuevo el capítulo XX).
Supóngase ahora que construimos otro dispositivo como el que aparece en la
figura 55, que consiste en dos bloques semiconductores tipo N y uno extremadamente
delgado de tipo P; el bloque P, llamado base (denotado por B),
queda entre los dos N. Si ahora se conecta uno de los bloques N,
llamado emisor (denotado por E), a la terminal negativa de una batería,
y el otro bloque N, llamado colector (denotado por C), a la positiva,
entonces los electrones del emisor son repelidos por A y atraídos por
D, por lo que cruzan la base y llegan al colector, dando lugar a que
haya una corriente en el circuito a través de la batería (y si hubiera una carga
como una resistencia, la corriente la atravesaría). La magnitud de la corriente
que llegue a circular depende de varios factores. uno de ellos es el voltaje
de la batería; mientras mayor sea éste, mayor será la corriente. Otro de los
factores es la polaridad de la base. Si la base es positiva, los electrones
que vienen del emisor serán atraídos por la base y se acelerarán, por lo cual
habrá mayor corriente a través del dispositivo. Si por otro lado la base es
negativa, entonces cierto número de electrones que vienen del emisor serán rechazados
y se regresarán, disminuyendo la corriente neta; en el caso extremo en que la
polaridad de la base, siendo negativa, tenga una magnitud muy grande, rechaza
todos los electrones y prácticamente no hay corriente. Así, la polaridad de
la base controla y modifica la corriente que circula a través del dispositivo.
Asimismo, la corriente puede intensificarse, dependiendo del voltaje de la batería.
En consecuencia, este dispositivo amplifica la señal que muestre la base. Pero
este comportamiento es precisamente el que tiene el triodo construido con un
tubo al vacío, como se vio en el capítulo XX. Si comparamos las figuras 37 (b)
y 55 vemos que:
cátodo equivale al emisor, el ánodo equivale al colector, la rejilla equivale a la base. |
El dispositivo descrito se llama triodo NPN.
Figura 55. Esquema de un triodo semiconductor NPN.
También se puede construir un dispositivo en que un bloque N muy delgado queda entre dos bloques P, llamado triodo NPN. Su funcionamiento es completamente similar al triodo NPN, solamente que las polaridades quedan invertidas.
A los dispositivos que se construyen con combinaciones de bloques formados de semiconductores N y P se les llama genéricamente transistores.
Durante 1945 a 1949 el grupo de la compañía Bell desarrolló la teoría de los transistores, la verificó experimentalmente y construyó diodos y triodos. En el año de 1956 Bardeen, Shockley y Brattain recibieron el Premio Nobel de Física por el brillante trabajo que desembocó en la invención del transistor. Hemos de mencionar que Bardeen recibió en 1972 nuevamente el Premio Nobel de Física, ahora en compañía de J. R. Schrieffer y L. N. Cooper, por haber desarrollado la teoría de la superconductividad.
Los transistores tienen varias ventajas sobre los tubos al vacío. Mencionaremos algunas de ellas. En primer lugar, para que funcione un tubo al vacío su cátodo debe calentarse, y esto se logra pasando una corriente cercana a él. El voltaje típico que se requiere para lograr esto es de 250 V. Una vez conectado este voltaje se necesita esperar determinado tiempo hasta que se caliente el cátodo. Por tanto, cualquier aparato que use tubos al vacío no funciona inmediatamente después de haberse conectado. El transistor no requiere este calentamiento, por lo que empieza a funcionar inmediatamente después de su conexión. En consecuencia, el uso de un transistor en lugar de tubos al vacío ahorra mucha energía, y por tanto, resulta más económico.
En segundo lugar, la respuesta del transistor a señales de frecuencias muy altas es muy efectiva, lo cual no ocurre con los tubos al vacío.
Como el tamaño de un transistor es mucho menor que el de los tubos al vacío, con él se inició la miniaturización de los aparatos electrónicos.
El invento del transistor abrió una nueva era en la civilización moderna, ya que se le pudo utilizar de manera muy general en una gran variedad de aparatos. En las décadas de 1950 y 1960 se construyeron radios, computadoras electrónicas, aparatos de control industrial, etc., que gracias a los transistores fueron de tamaños relativamente pequeños, portátiles, con requerimientos de energía muy reducidos y de larga vida.
En gran medida, en las décadas mencionadas los transistores sustituyeron a los tubos al vacío. Sin embargo, para ciertas aplicaciones muy específicas los tubos han tenido ventajas sobre los transistores. Así, se emplean para transmisores de radio de potencia alta y mediana, para amplificadores de microondas y osciladores, para tubos de rayos catódicos como los que se usan en las televisiones, monitores, pantallas de diversos aparatos, etcétera.
