XXVIII. UNA REVOLUCI�N. SE INVENTAN LOS TRANSISTORES

UNA vez que se acab� la segunda Guerra Mundial se inici� en los Bell Laboratories, en Estados Unidos, un programa de investigaci�n b�sica sobre teor�a de s�lidos. Uno de los resultados de este esfuerzo fue el transistor. En esa �poca la teor�a cu�ntica, es decir, la teor�a f�sica que describe los fen�menos microsc�picos ya estaba bien establecida.¹

La teor�a cu�ntica hab�a abierto la posibilidad de entender las propiedades de los s�lidos a partir de su estructura at�mica. La direcci�n de los laboratorios Bell esperaba que a trav�s de un proyecto de investigaci�n interdisciplinaria se adquirieran suficientes conocimientos acerca de los s�lidos para dise�ar y fabricar materiales que se utilizaran en el desarrollo de nuevos y mejorados componentes y elementos para sistemas de comunicaciones.

Se form� el grupo para investigar los semiconductores, que estuvo integrado por los f�sicos Walter H. Brattain (1902- ), William Schockley (1910-1990), John Bardeen (1909- ), Gerald Pearson y el f�sico-qu�mico Robert Gibney. Tanto Shockley como Barden hab�an estudiado a fondo la teor�a cu�ntica mientras que Brattain hab�a llevado un curso de posgrado en la materia.

En 1945 formaron otros grupos de estudio de semiconductores para estar al d�a en el campo. Se dieron cuenta de que durante la guerra se hab�an logrado notables avances en la utilizaci�n de los semiconductores silicio y germanio como detectores para el radar. Se hab�a tenido que recurrir a estos semiconductores porque en el radar se empleaban se�ales el�ctricas de muy alta frecuencia que los tubos al vac�o, con todos los adelantos logrados, no pod�an manejar adecuadamente. Recordemos que en la primera parte del presente siglo ya se hab�an usado semiconductores (la galena, por ejemplo) como detectores de ondas electromagn�ticas antes del invento del tubo al vac�o. Durante la guerra varios laboratorios hab�an logrado progresos en la comprensi�n del comportamiento de los semiconductores, as� como en la preparaci�n de muestras de silicio y germanio.

Las propiedades el�ctricas de las sustancias dependen del grado de libertad que tengan sus electrones. Para esto baste decir que los electrones de los �tomos est�n acomodados alrededor del n�cleo en capas, y en cada una hay un n�mero m�ximo de electrones: dos en la primera capa, ocho en la segunda, 18 en la tercera, etc. Los electrones de un �tomo van ocupando sucesivamente las capas, a partir de la interior, hasta llegar a agotar los electrones. Entonces, si un �tomo tiene, digamos, ocho electrones (que corresponde al elemento ox�geno), dos ocupan la primera capa y los seis restantes ocupan la segunda; por lo tanto, en el ox�geno la �ltima capa no queda completa. En la figura 47 se muestra un diagrama esquem�tico de la estructura de capas de los primeros once �tomos de la tabla peri�dica. As�, el litio (Li) tiene solamente un electr�n en su capa externa; el boro (B) tiene tres; el carb�n, cuatro; el ne�n, ocho, o sea que queda completa. Con base a estos hechos se construye la tabla peri�dica de los elementos. Hemos de mencionar que en el siglo pasado el ruso Dimitri Mendel�ev (1834-1907) ide� esta tabla en forma emp�rica, y que s�lo pudo ser explicada con fundamento una vez que se aplic� la mec�nica cu�ntica a la estructura at�mica en el presente siglo.

Figura 47. Estructura de las capas electr�nicas de algunos �tomos.

Los electrones que est�n en capas completas quedan fuertemente atrapados al �tomo, mientras que la atracci�n es d�bil para los electrones de la �ltima capa, si �sta no est� completa; as�, mientras menos electrones haya en la �ltima capa, menor ser� la fuerza con la que queden atrapados. Por lo tanto, en aquellos elementos con un solo electr�n en su �ltima capa, como �ste est� muy d�bilmente unido al �tomo podr� separarse de �l con mucha facilidad, y as� este electr�n quedar� disponible para que el elemento conduzca muy bien electricidad. �tomos con un solo electr�n en su capa externa son el sodio, el cobre, la plata, el oro, etc., elementos que son buenos conductores de electricidad.

Los �tomos que tienen capas externas llenas de electrones ejercen una fuerte atracci�n sobre ellos y por tanto no son buenos conductores de electricidad. Para que sirvieran a este prop�sito se requerir�an fuerzas muy elevadas sobre los electrones externos, que implicar�a aplicar voltajes muy altos a la sustancia. Los elementos que tienen sus capas externas completas son el helio, el ne�n, el arg�n, etc., llamados gases nobles.

Los �tomos y mol�culas son entes que tienen niveles de energ�a bien definidos para cada uno de ellos. El estado que tiene el valor m�s bajo de la energ�a se llama base, mientras que los estados con valores mayores de la energ�a se llaman excitados (Figura 48). A la secuencia de niveles mostrada en la figura se le llama el espectro de energ�a del �tomo en cuesti�n. Distintos �tomos tienen diferentes espectros de energ�a. En cualquier instante el �tomo solamente puede tener una de las energ�as de sus niveles, es decir, el �tomo no puede poseer una energ�a que tenga un valor que se encuentre entre dos valores de sus niveles. Se dice que la energ�a est� cuantizada. Si el �tomo experimenta determinado proceso es posible que cambie su energ�a, por ejemplo, a causa de una colisi�n con otro �tomo, de una descarga el�ctrica, de calentamiento, etc. En este caso, el �tomo puede pasar del nivel de energ�a 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 �l alguno de sus niveles permitidos. Esto significa que en las transiciones del �tomo, los cambios de energ�a que puede experimentar son iguales a las separaciones (DE)₁, (DE)₂ etc., que corresponden a las diferencias de las energ�as entre cualquier pareja de sus niveles (Figura 48). As�, se dice que hay una transici�n entre los niveles involucrados. Por otro tipo de motivos que no vienen al caso, puede ocurrir que alguna de estas transiciones est� prohibida.

Figura 48. Espectro de energ�a de un �tomo.

Ahora bien, si la transici�n es de un nivel bajo a otro superior, se dice que el �tomo absorbe energ�a (igual a la diferencia entre los valores de las energ�as de dichos niveles); mientras que si pasa de un nivel alto a otro m�s bajo, se dice que el �tomo emite energ�a (igual a la diferencia entre los valores de las energ�as de dichos niveles). Lo anterior significa que un �tomo solamente puede absorber o emitir energ�a en cantidades perfectamente determinadas, que son iguales a los valores de las diferencias de las energ�as entre las parejas de niveles cuyas transiciones sean permitidas.

Hasta este momento hemos hablado solamente de �tomos aislados, que no experimentan ninguna fuerza. Sin embargo, cuando los �tomos forman un s�lido ocurren fen�menos colectivos entre ellos puesto que sus densidades son muy altas, lo que significa que est�n muy juntos, por lo que las fuerzas que ejercen unos sobre otros son de gran consideraci�n; como consecuencia, los niveles de energ�a de los electrones se modifican considerablemente. Ahora, en lugar de tener un conjunto de valores bien precisos, se forman intervalos de energ�as permitidas separados por valores de energ�a que son prohibidos. En la figura 49 se muestra un diagrama de la energ�a de un s�lido hipot�tico. En este caso, los electrones pueden tener energ�as entre los valores E₁ y E₂, entre E₃ y E₄ etc. Sin embargo, no pueden tener energ�as entre E₂ y E₃. Al dominio de energ�as que s� 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 s�lidos tienen una estructura de bandas. Ahora bien, los electrones que tienen los �tomos de un s�lido van ocupando las bandas permitidas de abajo hacia arriba consecutivamente, de manera an�loga a como lo hacen en �tomos 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 s�lido, el espectro de energ�a forma bandas tanto permitidas como prohibidas.

Hay varias posibilidades, una de ellas es que los �tomos de una sustancia vayan llenando las capas permitidas y que todav�a queden electrones que al empezar a ocupar la �ltima banda permitida no la llenen completamente. Los electrones que est�n en la �ltima banda incompleta podr�n desprenderse de los �tomos con mucha facilidad, por tanto, podr�n 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 conducci�n.

Otra posibilidad es que los electrones de un s�lido llenen completamente las bandas permitidas y al completar la �ltima ya no haya m�s electrones disponibles. Por la tanto la siguiente banda permitida, que ser�a de conducci�n, queda vac�a. Pueden ahora darse dos casos.

1) En el primero, la separaci�n de DE entre la �ltima banda de valencia (completa) y la de conducci�n (vac�a) es muy grande. En este caso, para que un electr�n que est� en la parte superior de la banda de valencia pueda pasar a la de conducci�n tiene que adquirir por lo menos la energ�a DE, que en general es muy dif�cil de dar externamente. Hay varias maneras de proporcionar esta energ�a: por medio de un voltaje, que en nuestro caso ser�a extremadamente alto, o bien, aumentando la temperatura del s�lido, que tambi�n tendr�a que ser un aumento desproporcionado. En consecuencia, los electrones quedan bien unidos a los �tomos y no pueden dar lugar a una corriente el�ctrica. Este es el caso de un aislador.

2) El segundo caso es cuando la separaci�n entre la �ltima banda de valencia (completa) y la de conducci�n (vac�a) es muy peque�a. Si la temperatura es relativamente baja no hay electrones en la banda de conducci�n y por consiguiente la sustancia se comporta como un aislador. Sin embargo, con una energ�a muy peque�a que se le proporcione, por ejemplo, con un peque�o voltaje o bien con un ligero aumento de temperatura, varios electrones pasar�n a la banda de conducci�n sin llenarla, y por tanto, la sustancia se comportar� como un conductor. A este tipo de s�lidos se les llama semiconductores. En su fase s�lida el germanio y el silicio son ejemplos de semiconductores.

Otra forma de explicar lo anterior es la siguiente: los semiconductores est�n constituidos por �tomos que tienen cuatro electrones en su �ltima capa. Cuando forman un s�lido (Figura 50), cada electr�n es compartido por dos �tomos vecinos. Se puede decir que el electr�n de un �tomo se mueve hacia el hueco que hay en la �ltima capa (que no est� llena) del �tomo 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 situaci�n la banda de conducci�n del s�lido est� vac�a. Si se le aumenta un poco la temperatura al semiconductor, algunos de los electrones se escapar�n y ya no formar�n la ligadura covalente; estos electrones pasaron a la banda de conducci�n y est�n disponibles para conducir electricidad.

Figura 50. La �ltima capa de un semiconductor (en este caso germanio, Ge) tiene cuatro electrones, que son compartidos con el �tomo vecino. Esto es la covalencia. Los círculos negros denotran electrones.

Supongamos ahora que en el semiconductor se sustituye uno de los �tomos por otro que tenga cinco electrones de valencia, por ejemplo un �tomo de f�sforo (Figura 51). En este caso, cuatro de los electrones de su capa exterior se ocupar�n de formar ligaduras covalentes con los �tomos de germanio vecinos, mientras que el quinto electr�n, por decirlo as�, queda libre. Este puede servir para conducir electricidad. En consecuencia, se puede mejorar la capacidad de conducir electricidad de un semiconductor introduci�ndole impurezas o, como se dice en la jerga de los especialistas, "dop�ndolo" (del ingl�s dope). A un semiconductor as� dopado se le llama N.

Figura 51. Una impureza de f�sforo (P) permite que haya un electr�n libre, que sirve para conducir la electricidad.

Otra posibilidad ser�a reemplazar uno de los �tomos 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 �tomos vecinos, quedando la cuarta de las ligaduras vac�a. Ahora uno de los electrones de un �tomo vecino forma la ligadura faltante, pero al hacerlo deja un hueco en el �tomo que ocupaba originalmente. En seguida, un electr�n de otro �tomo pasa a ocupar el lugar faltante, dejando a su vez un hueco y as� sucesivamente. Nos damos cuenta de que el hueco o agujero se ha ido propagando. Estos agujeros tienen la misma masa que el electr�n, pero debido a que efectivamente es una ausencia de electr�n, o sea de carga negativa, el agujero tiene carga efectiva positiva. Por tanto, este semiconductor con impurezas de boro da lugar a una corriente el�ctrica de agujeros positivos que tiene sentido opuesto a la de una corriente de electrones. Los agujeros se comportan como si fueran part�culas. 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 vac�o, 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 d�ficit de un electr�n, que equivale a un agujero positivo.

Figura 53. Al moverse las monedas hacia la izquierda, el agujero se mueve a la derecha.

En cualquiera de los dos casos, la conductividad el�ctrica del semiconductor se aumenta sustancialmente si se le a�aden impurezas de cualquiera de los dos tipos en partes por mill�n. Una consecuencia importante es que en semiconductores con impurezas el n�mero de electrones que conducen electricidad puede ser controlado.

Juntemos dos bloques, uno de semiconductor P y otro N. La magnitud de la corriente el�ctrica que fluya depende del sentido del voltaje aplicado. Si el bloque P se conecta a la terminal positiva de una bater�a (Figura 54) y el N a la terminal negativa, entonces ocurre lo siguiente: como en el bloque P hay agujeros positivos, �stos son repelidos hacia el bloque N y atra�dos hacia la terminal negativa B; por tanto, hay una corriente de agujeros de A a B, es decir, a trav�s del dispositivo y llegan a la bater�a. Por otro lado, en el bloque N hay electrones negativos que son repelidos por B y atra�dos por A; en consecuencia, los electrones fluyen de B a A cruzando el dispositivo y llegando a la bater�a. En resumen, hay una doble corriente el�ctrica: 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 el�ctrica si est�n conectados a la bater�a como se muestra.

Veamos ahora qu� ocurre si se conectan los bloques de manera opuesta. En este caso, los agujeros de P son atra�dos hacia A y repelidos por B, con el resultado de que no cruzan el dispositivo. Por otro lado, los electrones de N son atra�dos por B y repelidos por A, lo que ocasiona que tampoco crucen el dispositivo. En consecuencia, no hay corriente a trav�s del dispositivo y el circuito est�, de hecho, abierto.

En resumen, en el dispositivo mostrado en la figura 54 solamente circula electricidad cuando la polaridad de la bater�a es la que se muestra en la figura, mientras que si se invierte la polaridad, no hay corriente. Se puede tambi�n pensar que este fen�meno 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 peque�a y por tanto es f�cil que circule electricidad, mientras que en el sentido opuesto la resistencia crece enormemente impidiendo la corriente el�ctrica. De esta forma se consigue un dispositivo que funciona de manera similar al diodo construido con un tubo al vac�o (descrito en el cap�tulo XX) y recibe el nombre de diodo semiconductor; debido a sus propiedades descritas se utiliza como rectificador de corriente (v�ase de nuevo el cap�tulo XX).

Sup�ngase 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 bater�a, y el otro bloque N, llamado colector (denotado por C), a la positiva, entonces los electrones del emisor son repelidos por A y atra�dos por D, por lo que cruzan la base y llegan al colector, dando lugar a que haya una corriente en el circuito a trav�s de la bater�a (y si hubiera una carga como una resistencia, la corriente la atravesar�a). La magnitud de la corriente que llegue a circular depende de varios factores. uno de ellos es el voltaje de la bater�a; mientras mayor sea �ste, mayor ser� la corriente. Otro de los factores es la polaridad de la base. Si la base es positiva, los electrones que vienen del emisor ser�n atra�dos por la base y se acelerar�n, por lo cual habr� mayor corriente a trav�s del dispositivo. Si por otro lado la base es negativa, entonces cierto n�mero de electrones que vienen del emisor ser�n rechazados y se regresar�n, 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 pr�cticamente no hay corriente. As�, la polaridad de la base controla y modifica la corriente que circula a trav�s del dispositivo. Asimismo, la corriente puede intensificarse, dependiendo del voltaje de la bater�a. En consecuencia, este dispositivo amplifica la se�al que muestre la base. Pero este comportamiento es precisamente el que tiene el triodo construido con un tubo al vac�o, como se vio en el cap�tulo XX. Si comparamos las figuras 37 (b) y 55 vemos que:

c�todo equivale al emisor, el �nodo equivale al colector, la rejilla equivale a la base.

El dispositivo descrito se llama triodo NPN.

Figura 55. Esquema de un triodo semiconductor NPN.

Tambi�n 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 gen�ricamente transistores.

Durante 1945 a 1949 el grupo de la compa��a Bell desarroll� la teor�a de los transistores, la verific� experimentalmente y construy� diodos y triodos. En el a�o de 1956 Bardeen, Shockley y Brattain recibieron el Premio Nobel de F�sica por el brillante trabajo que desemboc� en la invenci�n del transistor. Hemos de mencionar que Bardeen recibi� en 1972 nuevamente el Premio Nobel de F�sica, ahora en compa��a de J. R. Schrieffer y L. N. Cooper, por haber desarrollado la teor�a de la superconductividad.

Los transistores tienen varias ventajas sobre los tubos al vac�o. Mencionaremos algunas de ellas. En primer lugar, para que funcione un tubo al vac�o su c�todo debe calentarse, y esto se logra pasando una corriente cercana a �l. El voltaje t�pico 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 c�todo. Por tanto, cualquier aparato que use tubos al vac�o no funciona inmediatamente despu�s de haberse conectado. El transistor no requiere este calentamiento, por lo que empieza a funcionar inmediatamente despu�s de su conexi�n. En consecuencia, el uso de un transistor en lugar de tubos al vac�o ahorra mucha energ�a, y por tanto, resulta m�s econ�mico.

En segundo lugar, la respuesta del transistor a se�ales de frecuencias muy altas es muy efectiva, lo cual no ocurre con los tubos al vac�o.

Como el tama�o de un transistor es mucho menor que el de los tubos al vac�o, con �l se inici� la miniaturizaci�n de los aparatos electr�nicos.

El invento del transistor abri� una nueva era en la civilizaci�n moderna, ya que se le pudo utilizar de manera muy general en una gran variedad de aparatos. En las d�cadas de 1950 y 1960 se construyeron radios, computadoras electr�nicas, aparatos de control industrial, etc., que gracias a los transistores fueron de tama�os relativamente peque�os, port�tiles, con requerimientos de energ�a muy reducidos y de larga vida.

En gran medida, en las d�cadas mencionadas los transistores sustituyeron a los tubos al vac�o. Sin embargo, para ciertas aplicaciones muy espec�ficas los tubos han tenido ventajas sobre los transistores. As�, se emplean para transmisores de radio de potencia alta y mediana, para amplificadores de microondas y osciladores, para tubos de rayos cat�dicos como los que se usan en las televisiones, monitores, pantallas de diversos aparatos, etc�tera.