Juntando semiconductores: construcción y funcionamiento del transistor

Experientia docet Materia sólida Artículo 14 de 15

A la izquierda monocristal de silicio fabricado por el método Czochralski. A partir de este tipo de cristal se obtienen las obleas que constituirán la base de los chips. A la derecha una operaria fabrica un monocristal de silicio de este tipo, ¡en 1956! Es probable que el fotógrafo le pidiese que se subiese sus gafas de seguridad (que tiene en la frente) y se quitase los guantes térmicos, que no aparecen en la imagen. Sin estos equipos es literalmente imposible aguantar más de unos segundos en esa posición. Démonos cuenta de que está fundiendo silicio puro, con un punto de fusión de 1414 ºC. Fuente: Wikimedia Commons

Es muy común hablar del transistor en general, y de los microprocesadores en particular, como la base de la microelectrónica y los ordenadores, sin entrar en más profundidades. En este texto exploramos de forma muy sencilla cómo se construye [1] un transistor comercial y cómo funciona un transistor elemental. Los enlaces remiten a las explicaciones de los conceptos empleados. Entender el funcionamiento básico no debería ser especialmente difícil y te permitirá apreciar el mundo tecnológico que te rodea a otro nivel.

Nuestra guía será la siguiente figura, donde tenemos (a) un esquema de un transistor bipolar n-p-n en el que se ha establecido una diferencia de potencial en sus extremos; y (b) un esquema simplificado de como se construye [1] de hecho este tipo de transistor por los fabricantes de microprocesadores como Intel o AMD.

Fuente: Cassidy Physics Library

Se coloca una capa delgada de silicio tipo n sobre un cristal muy fino (chip) de silicio tipo p muy ligeramente dopado. El silicio de tipo p, que se encuentra entre las piezas de tipo n, se denomina base. Al ser muy delgado y solo estar ligeramente dopado, la mayoría de sus electrones, que se moverán a través de él de izquierda a derecha, no serán capturados por los huecos, sin embargo, proporcionarán un campo interno para evitar cualquier flujo cuando no haya campo externo. Existe otra razón para que el chip sea muy fino: permitir que los circuitos electrónicos funcionen lo más rápido posible.

Usando ahora una emulsión fotográfica se coloca un patrón microscópico de circuito en la capa superficial del silicio de tipo n de tal manera que la capa superficial de tipo n se elimine en unos lugares y no en otros cuando se aplique una disolución ácida a toda la superficie. Esto tiene como resultado que se expone el silicio tipo p que hay debajo, de modo que se pueden hacer las conexiones eléctricas para formar el transistor n-p-n.

¿Qué hace realmente el transistor y cómo lo hace? Miremos el esquema (a) como si representara dos diodos n-p de forma consecutiva. En estos diodos si se coloca un cable con carga negativa o cero en el silicio de tipo p y un cable con carga positiva en el lado de tipo n, no hay paso de corriente. Sin embargo, si se coloca un cable positivo en la base (tipo p) y un cable negativo en el silicio tipo n a la izquierda en el esquema, las cargas fluirán desde el silicio tipo n hacia la base. Si la base es muy delgada y solo está ligeramente dopada, las cargas pasarán a través de la base hacia el silicio tipo n a la derecha. Aquí la situación se invierte. El tipo p se mantiene positivo, pero se conecta un cable positivo de voltaje aún más alto en el extremo del silicio tipo n situado a la derecha en el esquema. El propósito de esto es mantener los electrones en movimiento de izquierda a derecha. Además de los electrones de conducción que ya están en el silicio de tipo n a la derecha, están llegando nuevos electrones del silicio de tipo n y de tipo p a la izquierda. La cantidad de flujo puede ser controlada por el voltaje positivo en la base.

El efecto neto, pues, es amplificar (aumentar) la corriente de izquierda a derecha. Esto tiene numerosas aplicaciones, entre ellas la más simple es la amplificación de voltajes en sí misma. Otra es la creación de memorias dinámicas de acceso aleatorio. Las exploraremos en siguientes entregas.

Nota:

[1] Probablemente el tiempo verbal debería estar en pasado. Pero no nos debe preocupar para nuestros fines.

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

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