En palabras simples, un diodo semiconductor de estado sólido es un dispositivo electrónico que permite el paso de corriente eléctrica a través de él en un solo sentido y lo bloquea en el otro. De esta forma es capaz de suprimir la parte negativa de cualquier señal, primer paso para la conversión de la corriente alterna en corriente continua. Ello hace que tiendan a ser reconocidos más por su función rectificadora que por cualquier otra cosa.
Puede decirse que el diodo semiconductor de estado sólido, en su función de conducción unilateral, fue descubierto en 1874 por el científico alemán Karl Ferdinand Braun, durante su investigación de la conductividad de un metal en soluciones de sal. Braun se dio cuenta de que algunas sales, como la Galena (sulfuro de plomo), conducía sin ser disuelta, y que su resistencia variaba en dependencia de la magnitud y polaridad del voltaje, efecto que se apreciaba de mejor forma cuando el electrodo tenía contacto con un cable con punta. Fue aquí que el alemán inventó el rectificador de punta de contacto hecho de galena, mejor conocido como el detector de bigotes de gato[2].
Más tarde, en 1894, el físico indio Jagadish Chandra Bose utilizó cristales semiconductores para detectar ondas de radio. Este detector de cristal se convertiría en un dispositivo práctico para telegrafía inalámbrica gracias al ingeniero norteamericano Greenleaf Whittier Pickard, que inventó el detector de cristal de silicona en 1903 y recibió la patente de ello en noviembre de 1906. En esa época otros experimentadores probaban otros minerales como detectores de señales, entre ellos el ex oficial del ejército estadounidense Harrison Chase Dundwoody, quien patentó el detector de carborundo (carburo de silicio).
Los desarrolladores de los primeros rectificadores no sabían los principios de los semiconductores, y no fue sino hasta la década de 1930 y mediados de ella, durante la comprensión de la física avanzada, que los investigadores de Bell Telephone Laboratories[4] reconocieron el potencial del detector de cristal para su aplicación en la tecnología de microondas. Durante la segunda guerra mundial, investigadores de Bell Labs, Western Electric, MIT, Purdue[5] y del Reino unido comenzaron a crear diodos semiconductores de punta de contacto (rectificadores o diodos de cristal) de silicio y germanio, cuyo objetivo era ser utilizados en aplicaciones de radar.
Al finalizar la guerra, AT & T[6] usó estos diodos en sus torres de microondas y Sylvania[7]empezó a comercializarlos. En este tiempo se comenzaron a fabricar en masa los diodos de germanio, en donde, a diferencia de los bigotes de gato, no era necesario ajustar una punta de contacto, lo que por supuesto los hacía mucho más prácticos que los últimos. A partir de entonces tuvo inicio la edad de los radios de cristal[8] con diodos semiconductores modernos.
El descubrimiento del diodo tal y como lo conocemos se produjo en 1939, y durante un buen tiempo éstos fueron fabricados casi exclusivamente de germanio, pues este elemento era en cierta forma fácil de encontrar y estaba disponible en grandes cantidades. También era bastante sencillo de refinar para obtener altos grados de pureza, un factor importante en el proceso de fabricación. Más tarde los científicos empezarían a desconfiar de los diodos de germanio, dada su alta sensibilidad a los cambios de temperatura.
Se sabía en aquel entonces que otro material, el silicio, tenía un mejor comportamiento ante los cambios de temperatura, con la única desventaja de que el proceso de refinación para obtenerlo con altos niveles de pureza aún se encontraba en desarrollo. El ingeniero estadounidense Russell Ohl, miembro de Bell Laboratories y parte de prestigiosas empresas que invertían en el desarrollo de la electrónica, estaba decidido a demostrar que el futuro del campo estaba determinado por los cristales semiconductores –esto debido a que en aquellos años la comunicación mediante tubos de vacío[9] todavía se utilizaba–, y debido a que no disponía de germanio para su investigación, recurrió al silicio, encontrando una manera de elevar su nivel de pureza al 99.8% (por lo cual recibió una patente).
El 23 de febrero de 1940 Ohl se dio cuenta de que un cristal de silicio con una grieta en la mitad elevaba significativamente la corriente cuando se colocaba cerca de una fuente luminosa. Este descubrimiento condujo a investigaciones posteriores que revelaron que los niveles de pureza en cada lado de la grieta eran diferentes, y que ésta formaba una barrera en la unión que permitía el paso de la corriente en sólo una dirección. De este modo, accidental, fue que se identificó y explicó el primer diodo de estado sólido.
A partir de 1954 el silicio se convirtió en el material semiconductor preferido, pues no sólo es menos sensible a la temperatura, sino que es también uno de los materiales más abundantes en la tierra, lo que acababa con cualquier preocupación respecto a su disponibilidad. Ante este material las compuertas se abrieron y la tecnología de diseño y fabricación evolucionó de forma continua a través de los años hasta el alto nivel actual.
Ahora bien, al transcurrir de los años, el campo de la electrónica se volvió cada vez más sensible a las cuestiones de velocidad. Las computadoras funcionaban a velocidades cada vez más altas y los sistemas de comunicación operaban a niveles más altos de desempeño. Surgió la necesidad de encontrar un material semiconductor capaz de satisfacer estas necesidades de mayor velocidad. El resultado fue el desarrollo del primer transistor[10] de arseniuro de galio en la década de 1970. Este dispositivo operaba a velocidades hasta de cinco veces las del Si.
El problema con el arseniuro de galio es que, por los años de intensos esfuerzos de diseño y mejoras en el proceso de fabricación, las redes de Si para la mayoría de las aplicaciones son más baratas de fabricar y ofrecen la ventaja de estrategias de diseños muy eficientes. El arseniuro de galio, por su parte, es más difícil de fabricar a altos niveles de pureza, más caro y cuenta con poco apoyo de diseño en los primeros años de su desarrollo. Aun así, con el tiempo la demanda de velocidad ocasionó que se asignaran más fondos a la investigación de este material compuesto, al punto de que en la actualidad se utiliza de manera consistente para nuevos diseños de circuitos integrados a gran escala, de alta velocidad.
Aunque el arseniuro de galio sea más caro, a medida que los procesos de fabricación mejoren y las demandas de mayor velocidad se incrementen, este material comenzará a desafiar al silicio como el semiconductor dominante.
Bibliografía Principal
Robert L. Boylestad y Louis Nashelsky. Electrónica: teoría de circuitos y dispositivos electrónicos 10ma ed. (2009, Ed. Pearson).
[1] Monografías. El Diodo Semiconductor; Reconocimiento de diodos semiconductores usando multímetro. https://www.monografias.com/trabajos100/diodo-semiconductor/diodo-semiconductor.shtml
[2] Dispositivo que consta de un alambre que hace contacto con un cristal detector semiconductor. Dicho artefacto reemplazaba de manera muy elemental a los diodos detectores de cristal en las radios primitivas.
[3] Wikimedia Commons. CatWhisker. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:CatWhisker.jpg.
[4] Nokia Bell Labs (1996-2007), AT&T Bell Laboratories (1984-1996), y Bell Telephone Laboratories (1925-1984), es empresa de investigación industrial y desarrollo científico poseída por la empresa finlandesa Nokia.
[5] Western Electric fue una compañía estadounidense de ingeniería eléctrica, escena de muchos desarrollos importantes en el rubro eléctrico. Massachusetts Institute of Technology (MIT), es una universidad privada norteamericana catalogada mundialmente como la mejor en tecnología por Times Higher Education-QS World University Rankings. Purdue es una universidad norteamericana ubicada en Indiana, se encuentra entre las mejores del mundo.
[6] Compañía de telecomunicaciones más grande del mundo, el mayor proveedor de servicios de teléfono móvil y el proveedor más grande de servicios de teléfono fijo en los Estados Unidos.
[7] Fue una empresa estadounidense fabricante estadounidense de variado equipo eléctrico, entre los cuales se encontraban radios transmisores y superordenadores.
[8] Es un receptor de radio AM que empleaba un cristal semiconductor de sulfuro de plomo para «detectar» (rectificar) las señales de radio en amplitud modulada.
[9] Componente electrónico utilizado para amplificar, conmutar, o modificar una señal eléctrica mediante el control del movimiento de los electrones en un espacio «vacío» a muy baja presión, o en presencia de gases especialmente seleccionados.
[10] Dispositivo electrónico semiconductor utilizado para entregar una señal de salida en respuesta a una señal de entrada.
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