La tecnología moderna es posible gracias a una clase de materiales llamados semiconductores. Todos los componentes activos, circuitos integrados, microchips, transistores, así como muchos sensores están construidos con materiales semiconductores. Si bien el silicio es el material semiconductor más usado y más conocido utilizado en la electrónica, se utiliza una amplia gama de semiconductores que incluyen germanio, arseniuro de galio, carburo de silicio y semiconductores orgánicos. Cada material brinda ciertas ventajas a la tabla, como la relación costo / rendimiento, la operación a alta velocidad, la temperatura alta o la respuesta deseada a una señal.
Semiconductores
Lo que hace que los semiconductores sean tan útiles es la capacidad de controlar con precisión sus propiedades eléctricas y su comportamiento durante el proceso de fabricación. Las propiedades de los semiconductores se controlan agregando pequeñas cantidades de impurezas en el semiconductor a través de un proceso llamado dopaje, con diferentes impurezas y concentraciones que producen diferentes efectos. Al controlar el dopaje, se puede controlar la forma en que una corriente eléctrica se mueve a través de un semiconductor.
En un conductor típico, como el cobre, los electrones transportan la corriente y actúan como portadores de carga. En los semiconductores, tanto los electrones como los "agujeros", la ausencia de un electrón, actúan como portadores de carga. Al controlar el dopaje del semiconductor, la conductividad y el portador de carga se pueden adaptar para que estén basados en electrones o en orificios.
Hay dos tipos de dopaje, tipo N y tipo P. Los dopantes de tipo N, típicamente fósforo o arsénico, tienen cinco electrones, que cuando se agregan a un semiconductor proporcionan un electrón extra libre. Dado que los electrones tienen una carga negativa, un material dopado de esta manera se llama N-type. Los dopantes tipo P, como el boro y el galio, solo tienen tres electrones que dan como resultado la ausencia de un electrón en el cristal semiconductor, creando efectivamente un agujero o una carga positiva, de ahí el nombre tipo P. Tanto los dopantes tipo N como los tipos P, incluso en cantidades mínimas, harán de un semiconductor un conductor decente. Sin embargo, los semiconductores tipo N y tipo P no son muy especiales por sí mismos, ya que son solo conductores decentes. Sin embargo, cuando los colocas en contacto unos con otros, formando una unión P-N, obtienes comportamientos muy diferentes y muy útiles.
El diodo de unión P-N
Una unión P-N, a diferencia de cada material por separado, no actúa como un conductor. En lugar de permitir que la corriente fluya en cualquier dirección, una unión P-N solo permite que la corriente fluya en una dirección, creando un diodo básico. La aplicación de un voltaje a través de una unión P-N en la dirección hacia adelante (sesgo hacia adelante) ayuda a los electrones en la región de tipo N a combinarse con los orificios en la región de tipo P. Intentar revertir el flujo de corriente (polarización inversa) a través del diodo hace que los electrones y los orificios se separen, lo que evita que la corriente fluya a través de la unión. La combinación de uniones P-N de otras maneras abre las puertas a otros componentes semiconductores, como el transistor.
Transistores
Un transistor básico se fabrica a partir de la combinación de la unión de tres materiales tipo N y tipo P en lugar de los dos utilizados en un diodo. La combinación de estos materiales produce los transistores NPN y PNP que se conocen como transistores de unión bipolar o BJT. La región central, o base, BJT permite que el transistor actúe como un interruptor o amplificador.
Mientras que los transistores NPN y PNP pueden parecer dos diodos colocados uno detrás del otro, lo que bloquearía el flujo de corriente en cualquier dirección. Cuando la capa central se desvía hacia delante para que una pequeña corriente fluya a través de la capa central, las propiedades del diodo formado con la capa central cambian para permitir que una corriente mucho más grande fluya a través de todo el dispositivo. Este comportamiento le da a un transistor la capacidad de amplificar pequeñas corrientes y actuar como un interruptor que activa o desactiva una fuente de corriente.
Se puede hacer una variedad de tipos de transistores y otros dispositivos semiconductores combinando uniones P-N de varias maneras, desde transistores avanzados de función especial hasta diodos controlados. Los siguientes son solo algunos de los componentes hechos de combinaciones cuidadosas de uniones P-N.
- DIAC
- Diodo láser
- Diodo emisor de luz (LED)
- diodo Zener
- Transistor de darlington
- Transistor de efecto de campo, incluyendo MOSFETs
- Transistor IGBT
- Rectificador controlado de silicio (SCR)
- Circuito integrado (ICs)
- Microprocesador
- Memoria digital - RAM y ROM
Sensores
Además del control actual que permiten los semiconductores, también tienen propiedades que hacen que los sensores sean efectivos. Pueden hacerse para ser sensibles a los cambios de temperatura, presión y luz. Un cambio en la resistencia es el tipo de respuesta más común para un sensor semiconductor. A continuación se enumeran algunos de los tipos de sensores posibles gracias a las propiedades de los semiconductores.
- Sensor de efecto Hall (sensor de campo magnético)
- Termistor (sensor de temperatura resistivo)
- CCD / CMOS (sensor de imagen)
- Fotodiodo (sensor de luz)
- Fotoresistor (sensor de luz)
- Piezoresistivo (sensores de presión / deformación)
