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Introducción a la electrónica basada en semiconductores

En la sociedad actual, donde las tecnologías de la información se han hecho tan indispensables en nuestra vida cotidiana que prácticamente todo el  mundo está perpetuamente localizable con un móvil, o Internet está comenzando a ser uno de los motores más importantes de la economía; la palabra semiconductor se ha convertido en dominio público. No obstante, aunque nadie se extrañe al escuchar este vocablo, ¿sabemos realmente a qué nos referimos o en qué ha contribuido al cambio tan brusco de nuestra sociedad en las últimas décadas?

Todos sabemos que los ordenadores, los circuitos de los móviles y otros artilugios electrónicos están hechos con semiconductores, en su mayoría con Silicio. Así, quizá la pregunta que se podría formular, más concretamente, sería: “¿Por qué la electrónica se basa en estos materiales?”.

La elección de estos materiales no es casual, pues tienen unas propiedades que son, precisamente, las que se aprovechan para realizar las necesarias “operaciones” de la electrónica digital. La electrónica analógica también hace uso, a veces, de los semiconductores, aprovechando sus particularidades; pero dado que actualmente la electrónica digital se ha impuesto claramente a la analógica, hablaré sólo de esta primera. Haré aquí un inciso y aclararé, para los lectores no familiarizados con estos términos, que la electrónica se divide en dos ramas:

  • La electrónica analógica, que se basa en la transmisión y transformación de señales eléctricas de forma continua.
  • La electrónica digital, que se basa en la elaboración matemática de señales binarias (unos y ceros, representadas por dos valores posibles de tensión eléctrica dentro del circuito). Cabe decir que matemáticamente digital es cualquier señal con un número finito y contable de valores posibles, de modo que un sistema binario no es más que el ejemplo más simple de sistema digital; no obstante, cuando hablamos de electrónica digital se asocia, casi indistintamente, con binaria.

Así pues, la electrónica digital se basa, necesariamente, en componentes capaces de ser configurados para dar únicamente dos valores de tensión posibles, de modo que el valor mostrado dependa de los estímulos dados al componente. Estos componentes se conocen como puertas lógicas. Aunque existen diversos modos de realizar dichas puertas lógicas (en un principio se realizaban con válvulas de vacío), el modo más efectivo y eficiente que conocemos se demuestra ser usando transistores.

Existen diversos tipos de transistores, todos realizados con semiconductores, pero el más utilizado es el conocido como MOS (Metal Óxido Semiconductor).  Sin entrar en excesivos detalles, explicaré su funcionamiento básico y el porqué de usar semiconductores en su elaboración.

Esquema de tansistor MOS

Recordemos que la teoría de bandas nos indica que el semiconductor es un aislante si no excitamos sus electrones de valencia (por ejemplo calentándolo), pero que con dicha excitación podemos hacer que conduzca. En el transistor MOS dicha excitación viene al aplicar una diferencia de tensión entre el metal y el semiconductor (separado por un óxido que es aislante).  Así, según apliquemos una diferencia de tensión o no, la zona del semiconductor será aislante o conductor. Es decir, tenemos un interruptor que se acciona según la tensión aplicada al metal.

La teoría física que sustenta este argumento es notablemente más larga y complicada, e incluye el efecto de los dopantes (átomos de otros elementos introducidos de manera controlada en la matriz cristalina del semiconductor), pero animo a los interesados a echarle un ojo. Yo me limitaré a decir que el motivo de que usemos semiconductores es, precisamente, que para elaborar transistores es necesario usar las propiedades especiales de estos materiales (ya sea sus propiedades intrínsecas o las que desarrolla al introducir dopantes), como queda ejemplificado con el transistor MOS.

En futuras publicaciones ahondaré tanto en el efecto de los dopantes en los semiconductores como en la elaboración de puertas lógicas a partir de transistores y en cómo, a partir de estas, podemos construir circuitos digitales.

Os dejo, mientras, un pequeño vídeo introductorio a la tecnología del transistor MOS hecho en la Universidad de Granada que me ha parecido bastante ilustrativo.

 

 

Más información| Transistores FET (CSIC); Transistores FET (Universidad Rey Juan Carlos); Introduction to Semiconductors (Cambrigde)El transistor (RSS Tecnología)

Imagen| Analógico vs digitalTipos de transistoresTransistor MOS

Vídeo| Introducción al MOSFET, Universidad de Granada

Ismael Suárez Orellana Escrito por el abr 3 2012. Archivado bajo Tecnología, Tecnología y SM.





CONOCE AL REDACTOR

Ismael Suárez Orellana

Ismael Suárez Orellana
Actualmente trabajo en The Boston Consulting Group.
Nací en Sevilla, donde estudié Ingeniería de Telecomunicaciones en la Universidad de Sevilla y realicé el programa de Doble Titulación en el Politecnico di Milano.
Tras algo menos de un año en la industria aeronáutica, realice el Proyecto LYDES en la Fundación San Telmo. 
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