Diodo: Fundamentos, Semiconductores y Cristales de Silicio

El Diodo y los Semiconductores

A partir de los tres componentes básicos (resistencias, condensadores e inductancias) surge la necesidad de nuevos dispositivos para el control de la corriente eléctrica, y así se descubren las propiedades de los semiconductores. Se empiezan a usar después de la Segunda Guerra Mundial. En un principio, estos elementos adquieren una serie de ventajas respecto a sus precursores en el tratamiento de señales: espacio más reducido, mayor resistencia mecánica y mayor vida de funcionamiento. Presentaban los inconvenientes de ser más sensibles a los cambios de temperatura y no conseguir potencias muy elevadas.

Conductores y Semiconductores

El cobre es un buen conductor. La razón de esto es evidente si se tiene en cuenta su estructura atómica. Cuando un átomo de cobre tiene una carga neutra, 29 electrones (carga negativa) circulan alrededor del núcleo.

Orbitas Estables

El núcleo positivo atrae los electrones orbitales. Estos electrones no caen hacia el núcleo debido a la fuerza centrípeta y la velocidad del electrón. Cuando un electrón se halla en una órbita estable, tiene una distancia r del núcleo, por lo tanto, la velocidad está relacionada con el radio.

La Parte Interna del Átomo y el Electrón Libre

El núcleo y los electrones internos son de poco interés en el estudio de la electrónica. La atención estará puesta en la órbita exterior, llamada también órbita de valencia. Es esta órbita exterior la que determina las propiedades eléctricas del átomo.

Para recalcar la importancia de la órbita exterior, se define la parte interna de un átomo como el núcleo más todas las órbitas internas.

Idea más importante del átomo de cobre: como el electrón de valencia es atraído muy débilmente por la parte interna, una fuerza externa puede arrancar fácilmente este electrón libre del átomo de cobre. A ello se debe que el cobre sea un buen conductor. Aún la tensión más pequeña puede hacer que los electrones libres de un conductor de cobre viajen de un átomo al siguiente.

Los mejores conductores (plata, cobre y oro) tienen un solo electrón de valencia.

Semiconductores

Un semiconductor es un elemento con valencia igual a 4, lo que quiere decir que un átomo aislado de semiconductor tiene 4 electrones en su órbita exterior o de valencia. El número de electrones en la órbita de valencia es clave para la conductividad eléctrica. Algunos conductores poseen un electrón de valencia, los semiconductores tienen 4 electrones de valencia y los aislantes 8 electrones de valencia.

Germanio

Material cuya conductividad está comprendida entre la de un conductor y la de un aislante. Se muestra un átomo de germanio. Lo principal que debe recordarse acerca del átomo de germanio es que tiene 4 electrones de valencia. Esta propiedad es común a todos los semiconductores. Así es como puede determinarse si una sustancia es un semiconductor. Si es un semiconductor, deberá tener 4 electrones en la órbita exterior o de valencia.

Silicio

El material semiconductor más utilizado es el silicio. Un átomo aislado de silicio tiene 14 protones y 14 electrones.

Cristales de Silicio

Cuando los átomos de silicio se combinan para formar un sólido, automáticamente se disponen en una estructura ordenada llamada cristal. Cada átomo de silicio comparte sus electrones con los demás átomos de silicio vecinos, de tal manera que tenga 8 electrones en la órbita de valencia.

Enlaces Covalentes

Cada átomo vecino comparte un electrón con el átomo central. De esta forma, el átomo central tiene 4 electrones adicionales, sumando un total de 8 electrones en su órbita de valencia. En realidad, los electrones dejan de pertenecer a un solo átomo, ya que ahora están compartidos por átomos adyacentes. En un cristal de silicio hay millones de átomos de silicio, cada uno con 8 electrones de valencia. Estos electrones de valencia son los enlaces covalentes que mantienen unido el cristal, los que le dan solidez.

Descripción Básica de los Cristales

La mayor parte de las sustancias sólidas presentan sus moléculas ordenadas en forma de figuras geométricas llamadas cristales, que son características para cada una. Los átomos que integran esas moléculas pueden estar unidos de tres formas:

1. Enlace iónico: iones unidos por fuerzas de naturaleza electrostáticas.
2. Enlace covalente: comparten pares de electrones.
3. Enlace metálico: comparten los electrones libres entre todos los átomos.