UNIÓN PN

Normalmente estamos acostumbrados a pensar en la Física con cierta tendencia a considerar hechos o fenómenos de gran altura, tan solemnes y maravillosos que su entendimiento está fuera de nuestro alcance, como el fundamento del ala de un avión, los agujeros negros o la curvatura del espacio. Pero también hay cosas sencillas que merecen nuestra atención, como la llamada Unión PN. Seguramente, de todas las cosas que tenemos en nuestras casas no hay nada más simple ni más abundante que las Uniones PN.

Para fabricar una unión PN lo primero que se necesita es un puñado de arena de playa para sacar de él un poquito de silicio. Un átomo de silicio tiene cuatro electrones en su última capa, a través de los cuales en un cristal de silicio cada átomo forma un enlace con otros cuatro átomos vecinos. A continuación, se hacen dos cosas. A un trozo de este silicio puro se le añaden algunas impurezas de fósforo que tiene cinco electrones en su última capa. Entonces, cuatro de ellos formarán un enlace covalente con cuatro átomos vecinos de silicio y el quinto quedará libre. Como los electrones tienen una carga eléctrica negativa, por alusión a estos electrones que quedan libres, el silicio así dopado se denomina semiconductor N. A otro trozo de silicio le se añaden impurezas de boro que tiene tres electrones en su última capa, por lo que el efecto será el contrario, pues cuando esos tres electrones enlacen con cuatro átomos vecinos de silicio, quedará un hueco libre que fácilmente puede ser ocupado por un electrón si anduviera por allí. Al silicio así dopado, con huecos que pueden ser ocupados por electrones, se le denomina semiconductor tipo P.

Juntando estos dos elementos se tiene una unión PN. Al juntarlos, justo en los bordes de la unión se produce un reagrupamiento de cargas de tal manera que se crea un campo eléctrico como el de la figura de la cabecera, que se podría medir con un voltímetro si el tamaño de la unión lo permitiera. Y este es todo el secreto de la Unión PN: Como los electrones se desplazan en sentido contrario al campo eléctrico, lo harán con facilidad de izquierda a derecha y no podrán circular de derecha a izquierda, por lo que tenderemos un elemento de circuito que solo permite el paso de la corriente en un sentido. Aquí empieza su gran utilidad.

Rectificadores.- La energía eléctrica que tenemos a la mano en nuestros enchufes es de corriente alterna de 220 voltios, y toda la electrónica que usamos a diario funciona más o menos a 5 voltios de corriente continua. Por eso tenemos que reducirla de valor con un transformador y convertirla de alterna a continua con un rectificador. Este segundo paso se realiza con uniones PN por esa propiedad de que solo dejan pasar la corriente en un sentido. Todos los cargadores de nuestros teléfonos, todos los enchufes de nuestros ordenadores y tabletas llevan al menos en su interior cuatro uniones PN, con las que se consigue un rectificador elemental pero bastante bueno.

Transistores.- Un transistor se hace intercalando un semiconductor tipo P entre otros dos tipo N. Haciendo que pase una corriente por una de las uniones PN y otra entre los dos extremos, resulta que la segunda puede controlarse a partir de la primera. La importancia de esto es muy grande por dos razones: Porque se puede abrir o cerrar la corriente del segundo circuito desde el primero, abriendo así las puertas al mundo digital del si/no binario; y porque la segunda corriente es reflejo de la primera con cierto efecto amplificador, abriendo así las puertas al mundo de las señales muy pequeñas. Recordemos cómo la pequeña señal de un micrófono resulta amplificada en los altavoces de un concierto de Rock. La influencia que el transistor causó nuestras vidas durante la segunda mitad del siglo XX fue casi igual a la que está causando el teléfono móvil en el siglo XXI, aunque, eso sí, fue mucho menos visible. El número de transistores que hay en un teléfono móvil se podría contar por cientos de miles.

Lámparas LED.- Cuando por la unión PN tenemos un flujo de electrones, su circulación tiene lugar en dos capas, una correspondiente a los electrones libres y otra debida a los electrones que sin ser electrones libres pueden saltar de hueco en hueco. Estas dos capas de corriente tienen distinta energía y sus electrones pueden intercambiarse. Cuando un electrón de la capa de mayor energía pasa a la otra capa, la energía sobrante la libera emitiendo fotones, que son los que nos dan la luz de las lámparas LED. Con la energía que se aporta desde el exterior estos electrones pueden saltar de la capa de menor energía a la capa de más energía para continuar el proceso.

Células fotovoltaicas.- Si una unión PN la conectamos a una lámpara como en la segunda figura y bombardeamos con los fotones de la luz  solar su parte N se producirá una liberación de electrones. Como estos electrones no pueden cruzar la unión PN de derecha a izquierda, tendrán que circular a través de la lámpara hasta alcanzar la unión PN por el otro lado, desde donde serán impulsados hacia la derecha por el campo eléctrico. De esta forma la energía solar se transforma en energía eléctrica.

Todo esto tiene que hacernos pensar en la importancia de las cosas sencillas, y para ello citemos solo dos ejemplos. Uno científico: todo el desarrollo aeroespacial tiene uno de sus pilares fundamentales en las células solares. Y otro social: gracias a las lámparas LED y a los paneles solares se está llevando energía eléctrica a millones de personas que carecen de ella.

Por su descubrimiento del transistor los científicos John Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley recibieron el premio Nobel en 1956, lo que no habría sido posible en ese momento sin el descubrimiento de la unión PN por parte de Russel Ohl.