Curiosamente, una línea de investigación que parecía indudablemente extinguida después de la generalización de las lámparas rectificadoras al vacío, de costes y estabilidad cada vez mejores, renace de su pasado con la invención del transistor en 1947 por BARDEEN y BRATTAIN, quienes, aprovechando la patente de TEAL y STORKS para purificar el Germanio (1930) consiguen el primer transistor. Se recapitula así la eclosión que el desarrollo de la contienda bélica mundial añadió al ámbito de las telecomunicaciones que ya desde 1930, con los estudios de SCHOTTKY, NEVILL y DAVYDOV, en Alemania, Gran Bretaña y la Unión Soviética, respectivamente, aportaban al campo de las uniones de semiconductores –moderna expresión- para conseguir rectificadores más pequeños, baratos y fáciles de usar – de bajo voltaje, fríos…-
El Germanio, que desde 1926 estaba junto al Silicio, Selenio y Telurio en la lista de semiconductores apropiados, ganó la partida en un primer momento desplazando a los demás elementos de su grupo, para después ganarla el Silicio en la moderna electrónica.
Mencionamos estos hechos para denotar que en la base del uso de estos semiconductores subyacen las propiedades electro-físicas del contacto rectificador de los antiguos detectores minerales que estudiaremos a continuación, no sin indicar antes, que éstos permiten la rectificación y la ampliación, mientras que aquéllos, únicamente la detección.
Retomemos nuestra historia justo el 20 de Noviembre de 1906. Pickard acaba de hacer efectiva su patente del detector cristalino. Durante muchos meses las investigaciones de nuestro respetado inventor se centraron en ensayar multitud de materiales naturales o de síntesis de naturaleza cristaloeléctrica anisotrópica. Se dice que más de 30.000 sustancias fueron probadas y ensayadas para al fin encontrar la más apropiada para su fin: conseguir un dispositivo lo suficientemente sensible y con fidelidad para la recepción hertziana. Pero ¿Cuál es la base física de éstos dispositivos? ¿Qué particulares propiedades de a naturaleza sólida cristalina producen estos efectos?
La naturaleza de estos efectos es sumamente fácil de entender. No deja de ser un cierto filtraje direccional, una cierta polarización de la electricidad, pero de base científica sumamente compleja. Por esta razón, los textos de radioelectricidad no suelen detenerse en la física de los cristales más allá de ciertos detalles necesarios. Por el contrario, los de cristalografía no suelen extenderse demasiado en estas particularísimas propiedades rectificadoras. La obtención de información de calidad es por tanto complicada.
Vamos a intentar ofrecer aquí una explicación.
Partimos de la idea del átomo de Niels Bohr ( Copenhague 1885-1962), es decir, diferentes niveles energéticos alrededor del núcleo formando orbitales que Artur Sommerfeld ( Königsberg 1868- Münic 1951) resuelve en elipses para explicar las anomalías de las rayas espectrales que el anterior modelo no resolvía satisfactoriamente. Según Bohr, los electrones dispuestos en niveles que por convención se designan por las letras K, L, M, N, O, P, donde el orbital más interno es K, contienen un determinado número de electrones. Se dice que un nivel está saturado cuando contiene el máximo de electrones posible. A su vez, cada nivel se subdivide en nuevos niveles en los que rige la misma regla. Por el principio de exclusión de Pauli ( Viena 1900-1958), se establece que no es posible que un átomo posea dos electrones corticales dotados de los mismos cuatro valores cuánticos n, k, s, m que expresan respectivamente: el nivel o piso de evolución del electrón, la relación entre el valor del área barrida por el radio vector y el tiempo empleado, la velocidad de rotación del electrón alrededor del mismo, spin, y la proyección del momento total de la cantidad de movimiento sobre un eje conveniente fijo en el espacio. Esto determina que los electrones de idéntica formulación cuántica se separen a niveles orbitales diferentes y explica por qué pueden existir electrones en órbitas exteriores sin estar completa otras más internas. Esta pequeña explicación nos permite entender mejor las propiedades conductoras, aislantes o semiconductoras de cualquier cuerpo en estado sólido.
La parte más exterior del átomo, concentra los electrones responsables de las combinaciones interatómicas que éste establecerá, por tanto se denominan electrones de valencia y el modelo simplificado del átomo, que suele verse en los libros, es el resultado de la representación de este último nivel de valencia de modo que los electrones de las capas llenas contrarrestan la carga positiva del núcleo y únicamente se representan las cargas remanentes. Cada electrón de valencia se unirá a sus vecinos según las leyes del equilibrio electrónico, de modo que el edificio resultante será un cuerpo ordenado estructuralmente de propiedades fijas: Un Cristal.
Ejemplo de red cúbica centrada, como la de la Galena PbS
Modelo cristalográfico de bolas correspondiente a la Galena, de mi fabricación
Si este cristal fuese ideal, es decir, si no tuviera imperfección alguna, su equilibrio electrónico sería perfecto y no quedarían cargas sin compensar. El resultado sería que no habría electrones libres para, moviéndose, producir corrientes. Si en la estructura cristalina se introducen agentes de distorsión en forma de inclusión que aporten valencia mayor o menor, según sea la de ellos, también mayor o menor que la del cristal en que se alojan, obtendremos conductividades positivas –tipo p- e idénticamente al revés, de tipo n para estructuras sobradas de electrones.
La valencia a la que comúnmente nos referimos en química, no es la misma de la que estamos hablando hasta ahora. En efecto, el concepto de valencia combinatoria, presupone la estabilidad electrónica de una capa atómica, salvo la primera, con ocho electrones. Si los electrones de la capa parcialmente llena son cuatro o más, la tendencia del átomo será captar los que faltan para su estabilidad y su valencia combinatoria será la diferencia hasta ocho. Si por el contrario los electrones son menos de cuatro, éste tenderá a ceder su sobrante y recuperar su equilibrio. El resultado serán moléculas de sustancias nuevas cuyas propiedades serán resultado de sus átomos formadores y de sus propias características.
Aunque simple, es suficiente la explicación dada hasta ahora del cómo se constituye la materia cristalina para centrar nuestro particular.
El postulado de Pauli al que hacíamos referencia, es aplicable también al edificio cristalino. En efecto, cada nivel de energía en el átomo se corresponde a uno en el cristal. La compleja estructura de éste determina interacciones entre los átomos de manera que se formarán niveles de energía diferenciados denominados bandas energéticas, existiendo claro, bandas prohibidas que no puede ocupar ningún electrón. Por banda, el cristal contendrá tantos niveles de energía como átomos N contenga el edificio total, pudiendo solamente contener 2N electrones por átomo. Según un cristal tenga saturada o no su banda de energía exterior, permitirá el movimiento de sus electrones con mayor o menor facilidad. El resultado determinará el comportamiento aislante o conductor del mismo.
Hemos llegado al punto clave de nuestra explicación. En efecto, las sustancias utilizadas como detectores son consideradas semiconductoras. Es decir, a pesar de tener en un principio su banda externa de energía saturada, complementan el particular con la presencia de una banda prohibida de energía sobre ésta, de modo que en determinadas circunstancias – aumento de temperatura, campo eléctrico exterior – ciertos electrones pueden atravesar la banda prohibida y proporcionar un flujo eléctrico. La conductividad de los semiconductores, al contrario que la de los conductores que disminuye con mayor temperatura, aumenta con ésta, de modo que se denominan materiales de coeficiente de resistencia negativo.
Las impurezas que el cristal contiene, agentes distorsionantes del edificio cristalino, obviamente, desempeñan un papel fundamental en las propiedades conductoras de los semiconductores, ya que son ellas las responsables de la semiconducción al asentarse en bandas extra solidarias a las del propio cristal. Así el salto de electrones puede favorecerse en sentido dador o receptor (tipo n o p).
La información hasta ahora dada es suficiente para comprender pues, que el funcionamiento de los detectores de cristal, en el sentido primitivo del término y no entrando en el capítulo de los modernos, ya no tanto, diodos de Germanio o de los mismos transistores, se ve, sobretodo, si se usan sustancias naturales – Galena, Zincita… muy influenciado por variables independientes de difícil control : impurezas, defectos en la estructura, oxidación superficial… determinando una serie de dificultades para encontrar el punto sensible en un cristal o el mejor ejemplar.
Ejemplo de detectores empleados
Puedo asegurar por experiencia propia, que determinados yacimientos proporcionan materiales absolutamente nefastos o viceversa. La moderna electrónica del Silicio, que se fundamente en idénticos principios teóricos, se expande tecnológicamente hasta controles de pureza y construcción rayando lo impensable. En los cristales naturales, el sentido de circulación electrónica dador-receptor, puede verse afectado por condicionantes intrínsecos y extrínsecos que complejizan todavía más su uso.
Quien no conozca pues, por experiencia directa el manejo de los dispositivos rectificadores a cristal, pudiera pensar que su manejo es difícil y su rendimiento imprevisible. A ello hay que contestar que en la práctica, hoy desde luego de gabinete experimental, no es difícil conseguir unas constantes muy aceptables de recepción utilizando materiales ensayados en condiciones de prueba correctos. No podemos olvidar que en los primeros tiempos de la radiorecepción, estos dispositivos eran usados de forma profesional y con gran éxito.
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Autor:
David Flores Masvidal
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