Principios de análisis instrumental

2C SEMICONDUCTORES YDISPOSITIVOS CON SEMICONDUCTORES En general, los circuitos electrónicos contienen uno o más dispo– sitivos no lineales, como los transistores, diodos semiconductores y tubos al vacío o llenos de gas. 7 A diferencia de los componentes de los circuitos, como resistores, capacitares e inductores, los vol– tajes o las corrientes de entrada y de salida de los dispositivos no lineales no son linealmente proporcionales entre sí. Por tanto, se puede hacer que los componentes no lineales cambien una señal eléctrica de ca en cd (rectificación) o viceversa, que amplifiquen o atenúen el voltaje o la corriente (modulación de la amplitud) o que modifiquen la frecuencia de una señal ca (modulación de la frecuencia). Históricamente, el tubo o válvula de vacío fue el dispositivo no lineal predominante en los circuitos electrónicos. Sin embargo, en la década de los 50, los tubos, también llamados bulbos, fue– ron desplazados por los diodos basados en semiconductores y por los transistores, los cuales tienen las ventajas de ser de bajo costo, cons umir poca energía, generar poco calor, tener larga vida y ser más compactos. La era de los transistores fue muy corta. Ahora, la electrónica se apoya en los circuitos integrados, los cuales lle– gan a contener un millón de transistores, resistores, capacitares y conductores en un solo chip semiconductor pequeñísimo. Los circuitos integrados facilitan a los científicos y a los ingenieros el diseño y la construcción de instrumentos complejos, equipados únicamente con sus propiedades funcionales y sus características de entrada y salida, sin el conocimiento detallado de los circuitos electrónicos internos de los microprocesadores. En esta sección se examinan algunos de los componentes más comunes que constituyen los circuitos electrónicos. Luego se estudian con mayor detalle unos cuantos dispositivos que son parte importante de la mayoría de los instrumentos electrónicos. Un semiconductor es un material cristalino con una conduc– tividad que está entre la de un conductor y la de un aislante. Hay muchos tipos de materiales semiconductores, como el silicio y el germanio, compuestos intermetálicos, como el carburo de silicio y el arseniuro de galio, y una variedad de compuestos orgánicos. Dos materiales semiconductores que han tenido gran aceptación para los dispositivos electrónicos son el silicio cristalino y el ger– manio. En esta sección solo se estudiarán estas dos sustancias. 2C.l Propiedades de Los semiconductores de silicio y germanio El silicio y el germanio pertenecen a los elementos del grupo IV de la tabla periódica, por lo que tienen cuatro electrones de valen– cia disponibles para formar enlaces. En un cristal de silicio, cada uno de los electrones está combinado con un electrón de otro átomo de silicio para formar un enlace covalente. 7 Si desea más información sobre los circuitos electrónicos modernos y sus compo– nentes, consúltese a j.W. Nilsson y S. Riedel, Electric Circuits, lOa. ed., Upper Saddle River, N): Prentice Hall, 2015; C. Alexander y M. Sadiku, Fundamentals ofElectric Circuits, Sa. ed., Clifton Park, NY: Delmar/Cengage, 2012; H. V Malmstadt, C. G. Enke y S. R. Crouch, Microcomputers and Electronic Instrumenta/ion: Making the Right Ca~mections, Washington, OC: American Chemical Society, 1994. })) 2C Semiconductores y dispositivos con semiconductores 39 Por tanto, en principio, no hay electrones libres en el silicio crista– lino, por lo que se espera que el material actúe como aislante. Sin embargo, a temperatura ambiente hay suficiente agitación térmica para que un electrón se libere ocasionalmente del enlace y quede libre para desplazarse por toda la red cristalina y, en consecuencia, para conducir electricidad. Esta excitación térmica de un electrón deja una región con carga positiva, denominada hueco, asociada con el átomo de silicio. Este hueco, al igual que el electrón, es móvil, por lo que también contribuye a la conductancia eléctrica del cristal. El mecanismo del movimiento del hueco es por etapas; un electrón que estaba enlazado salta desde un átomo de la vecin– dad a la región donde falta un electrón y deja un hueco positivo. Por tanto, en la conducción de un semiconductor hay movimiento de electrones excitados térmicamente en una dirección y de hue– cos en otra. La conductividad de un cristal de sili cio o de germanio se puede intensificar mediante el dopaje, un proceso mediante el cual se introduce una pequeñísima cantidad controlada de una impureza, casi siempre por difusión, en el cristal de germanio o de silicio caliente. Por lo regular, el semiconductor de silicio o de germanio se dopa con un elemento del grupo V, como el arsénico o el antimonio, o bien, con un elemento del grupo III, como el indio o el galio. Cuando un átomo de un elemento del grupo V sustituye a un átomo de silicio de la rejilla cristalina, se introduce un electrón sin enlace en la estr uctura, el cual solo requiere una pequeña cantidad de energía térmica para liberarse y colaborar en la conducción. Tenga en cuenta que el ion positivo resultante del grupo V no proporciona un hueco móvil porque existe una baja tendencia de que los electrones se muevan desde el enlace cova– lente del silicio a esta posición no enlazante. Un semiconductor que ha sido dopado para que contenga electrones no enlazantes se llama tipo n (tipo negativo) porque los electrones con carga nega– tiva son los acarreadores mayoritarios de carga. Los huecos siguen existiendo en el cristal no dopado, y se asocian con los átomos de silicio, pero son pocos en comparación con la cantidad de electro– nes. Por tanto, los huecos representan los acarreadores minorita– rios en un semiconductor tipo n. Un semiconductor tipo p (tipo posit ivo) se forma cuando el silicio o el germanio son dopados con un elemento del grupo III, el cual contiene solo tres electrones de valencia. En este caso, los huecos se introducen cuando los electrones de los átomos adyacentes de silicio saltan a los orbitales vacíos asociados con el átomo de la impureza. Note que este proceso da una carga nega– tiva a los átomos del grupo III. El movimiento de los huecos de un átomo de silicio a otro átomo de silicio, como ya se explicó, es una corriente en que la mayoría de los acarreadores lleva carga posi– tiva. Puesto que los huecos son menos móviles que los electrones libres, la conductividad de un semiconductor tipo p es inherente– mente menor que la de uno tipo n. 2C.2 Diodos semiconductores Un diodo es un dispositivo no lineal cuya conductancia es mayor en una dirección que en la otra. Los diodos útiles se fabrican for– mando regiones adyacentes tipo n y tipo p dentro de un solo cris– tal de germanio o silicio. La interfase entre estas regiones se llama unión pn.