Los detectores cristalinos de contacto (página 2)

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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está interesado.>>> a través de mi
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Autor:

David Flores Masvidal