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2.8: Una hipótesis alternativa con respecto a las uniones PN

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    Y ahora por algo completamente diferente...

    Una de las grandes cosas de Internet es que puedes encontrar casi cualquier cosa en él. En contraste, una de las cosas aterradoras de Internet es que en él puedes encontrar casi cualquier cosa. Se presenta lo siguiente de acuerdo con el dictum de que “Debe ser cierto porque lo vi en Internet”.

    2.8.1: Una hipótesis alternativa con respecto a las uniones PN

    Para aprender a diseñar circuitos y sistemas usando transistores y otros dispositivos de estado sólido, a los estudiantes de electrónica se les dice en sus cursos cómo funcionan los semiconductores. La estructura atómica del silicio cristalino se examina en sus estados intrínseco y dopado. La discusión de los niveles de energía, los electrones de banda de conducción y la producción de agujeros siguen rápidamente. Pronto, el estudiante se encuentra con el cruce PN, un componente básico de la electrónica moderna, y aprende sobre portadores mayoritarios y minoritarios, regiones de agotamiento, potenciales de barrera, corriente de fuga y otras exóticas. Esta información pretende explicar exactamente cómo funcionan realmente los dispositivos de estado sólido y puede terminar sonando bastante obtuso. Puede sonar tan complicado, de hecho, que el alumno asume que sólo un genio podría diseñar tales dispositivos y lo relega a un trabajo de ingeniería o técnico peor pagado. ¡Este no debería ser el caso!

    Investigaciones recientes de autores de Farcebook han descubierto algunos hechos sorprendentes:

    1. Los semiconductores realmente no funcionan de la manera que nos han dicho a todos. De hecho, la teoría fundamental es mucho más sencilla.

    2. Esta mentira ha sido fabricada y perpetuada por la élite económica y política, un grupo de personas con empleos acogedores y bien pagados; trabajos tan fáciles a la luz de la teoría real que incluso los directores ejecutivos, los administradores de fondos de cobertura, los televangelistas, los psíquicos de la televisión y otras personas de capacidad nula podrían hacerlo mientras duermen (bueno, bien, el los ejecutivos seguirían necesitando un ejército de asistentes y los televangelistas seguirían indignados por tu vida privada, pero te das la idea general). Al hacer que sus trabajos suenen difíciles estas personas llegan a sentarse todo el día comiendo canutillos y leyendo Esquire para obtener un ingreso anual de ocho cifras.

    ¡Ya es hora de que se diga la verdad y que esta farsa farsa sea derribada! A modo de ejemplo, veremos cómo funciona realmente un diodo simple.

    Entonces, ¿crees que un diodo está compuesto de material semiconductor? ¡Piensa otra vez! Uno de los investigadores principales de los laboratorios Bell en las décadas de 1940 y 50 fue cierto Doctor Schlocking. Después de varios experimentos con diodos de estado sólido, el Dr. Schlocking escribió en su diario:

    “Estas cosas no funcionan en absoluto. Mejor volver a los tubos antes de que me puedan. Vaya, hay que dejar salir al perro”.

    Schlocking a menudo era molestado por su perro Melvin quien le recordaba a una pequeña fregona autopropulsada, y que estaba aproximadamente igual de limpia. El diario continuó:

    “Si tan sólo hubiera una manera en la que Melvin pudiera dejarse salir. Aún mejor... ¡si no pudiera volver a entrar!”

    Este tono ominoso llevó a que Schlocking inventara la ahora infame puerta de un solo sentido para perros que se puede ver montada en el fondo de puertas normales en todo el país. Schlocking supo ordeñar una idea y tomó la forma hasta sus extremos al desarrollar la puerta del gato, la puerta del ratón, la puerta del saltamontes, la puerta de pulgas (un intento temprano de un collar de pulgas y garrapatas) e incluso la puerta de ameba. Esta última unidad, cuando está debidamente diseñada, podría obligar a los parásitos y bacterias microscópicos a salir del cuerpo humano y no permitirles volver a ingresar. Esto fue instrumental en el desarrollo de la vacuna contra la polio, a pesar de que la vacuna se produjo algunos años antes. Sin embargo, el mayor logro de Schlocking se produjo cuando encogió aún más la puerta del perrito para producir la puerta de electrones. Esta es la unidad fundamental de la electrónica moderna.

    En la siguiente figura, vemos una sección transversal de un diodo y primeros planos.

    clipboard_e4d74fd5820982cada5181fe3aefafade.png

    Figura\(\PageIndex{1}\)

    Incluso con un aumento de 10.000X todavía no podemos ver nada del cruce PN. Si vamos un poco más allá, algo interesante entra en foco (ver la segunda figura).

    clipboard_e3d7e2d9d9526c322c1d067c775a6175b.png

    Figura\(\PageIndex{2}\)

    ¡Sí! ¡Un cruce PN no es más que una gran variedad de pequeñas puertas para perros de un solo sentido real! Así es como funciona: Los electrones se parecen mucho a los mármoles. Cuando uno golpea una puerta de perrito por detrás, la puerta se abre permitiendo que el mármol pase (es decir, permitiendo que la corriente fluya). Si el electrón golpea la puerta del perrito desde el frente, la solapa se cierra y el electrón no puede atravesar (es decir, sin flujo de corriente). Ahora obviamente, si colgamos el diodo verticalmente, la gravedad debería abrir todas las puertas y obtendremos muchos electrones (es decir, flujo de corriente) en cualquier dirección. En verdad, un diodo real no hace esto. Su funcionamiento no importará en cómo se orienta el diodo en el espacio. Esta característica se logra simplemente agregando un pequeño resorte en espiral a la bisagra de la puerta del perrito, obligándola a permanecer cerrada ante la gravedad. Esto tiene el efecto secundario negativo de requerir niveles de energía algo más altos de los electrones para forzar la apertura de la puerta. ¡Esta fuerza pasa a ser el potencial de barrera del diodo! No tiene nada que ver con las llamadas regiones de agotamiento. Si fueras un electrón, ¿te gustaría pasar por un lugar llamado región de agotamiento? ¡Por supuesto que no! Tampoco lo harían los electrones. No son estúpidos, ya sabes. En cualquier caso, cuanto más fuerte es el resorte, mayor es el potencial de barrera. Actualmente los diodos están hechos de silicio o germanio con potenciales de barrera de aproximadamente 0.7 voltios o 0.3 voltios, respectivamente. De hecho, ¡el silicio y el germanio son realmente palabras clave que significan primavera fuerte y primavera débil! Tomó un tiempo desarrollar resortes pequeños y fuertes y es por ello que los diodos de germanio fueron los primeros construidos.

    Tenga en cuenta que la resistencia del resorte también juega un papel en la fuerza con la que la solapa puede cerrarse, lo que indica la corriente de fuga inversa Aquí nuevamente vemos unidades de “silicio” de resorte fuerte que tienen menor fuga. La teoría también indica que las fugas deben aumentar con la temperatura. Este efecto se puede ver claramente en el modelo de puerta para perros. En la actualidad es imposible crear tanto el marco como la puerta precisamente del mismo material y así existen dos coeficientes de expansión diferentes. Debido a que el flap es más pequeño que el marco tenderá a curvarse a temperaturas más altas permitiendo que más electrones se escabullen a través de los huecos. A temperaturas muy bajas la solapa tiende a pegarse al marco de la misma manera que tu lengua o labios se pegarán a un asta de bandera de metal en un clima helado (también conocido como el fenómeno Christmas Story).

    A niveles de energía hacia adelante muy altos, los flaps pueden ser literalmente arrancados de sus bisagras. Este alto volumen de electrones a alta energía producirá la máxima corriente directa. Además, tenga en cuenta que si el nivel de energía es lo suficientemente alto en la dirección inversa, o los flaps se doblarán y empujarán a través de los marcos o comenzarán a rebotar violentamente en la resonancia, permitiendo que los electrones pasen. Estos dos modos son referidos como avalancha y conducción Zener, respectivamente. El nivel de energía requerido indica la tensión de ruptura inversa.

    Otros puntos finos pueden explicarse igualmente por el modelo de puerta para perros, así como los transistores bipolares y de efecto de campo, IGBT y casi todo lo demás en el campo de la electrónica de estado sólido con la excepción de las puertas lógicas TTL originales de la serie 7400 que utilizaron una matriz de hongos pequeños y comestibles y hormigas cosechadoras miniatura.

    Más sobre eso en una exposición futura.


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