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Experimento: Teoría de Transistores

Ahh, transistor...cómo te amamos. Gracias al transistor tu celular cabe en el bolsillo, y gracias al transistor el SpikerBox puede medir spikes de neuronas.

Tiempo 45 Minutos
Dificultad Avanzada

¿Qué vas a aprender?

En esta clase vas a aprender qué es un transistor, y cómo funciona. Es uma mezcla muy compleja de física y química, pero con paciencia podrás aprender los principios detrás del transistor, y admirar su belleza. En el próximo prácticopondrás esta teoría a la práctica para construir tu propio SpikerBox junior en una protoboard sin soldadura.

Prácticos Requeridos

  • SpikerBox - Ojalá estés bien familiarizado con el mundo de las spikes, esto hará que esta actividad sea más especial

Equipo


Antecedentes

La informática y la electrónica moderna se basan en el transistor, en nuestra opinión el invento más importante del siglo XX. Los transistores se utilizan como interruptores (dispositivos que le dicen a la señal hacia donde ir) o amplificadores (dispositivos que transforman señales pequeñas en otras más grandes), y son estas dos funciones las que permiten la existencia de tu celular favorito.

La producción en masa de transistores tiene un costo muy bajo, y los transistores son la razón de que los computadores sigan siendo cada vez más pequeños y poderosos. Cada año se construyen más de 60 millones de transistores, para cada hombre, mujer y niño en la tierra. Los transistores son la clave de nuestro mundo moderno. Bueno, si son tan maravillosos, ¿cómo funcionan?

Uniones p-n y dopado

Para entender cómo funcionan los transistores, primero hay que entender el concepto de la unión p-n. Las uniones p-n tienen algunas similitudes con la bicapa lipídica (membrana celular) de las neuronas, de la que aprendimos en el Experimento 3. Recuerda, la bicapa lipídica es la barrera entre el interior y el exterior de la célula, y se caracteriza por una acumulación de iones cargados a ambos lados de la barrera. Los iones cargados generan una diferencia de potencial eléctrico que finalmente permite la generación de potenciales de acción. Del mismo modo, una unión p-n es el límite entre dos materiales con diferentes cargas sobre ellos. En lugar de los iones, las cargas en una unión p-n son controladas por la presencia (e-) o ausencia (h +, o agujeros) de electrones.

Los electrones tienen carga negativa, y el movimiento de estas cargas a través de un material conductor es la base de la electricidad. En algunos materiales (llamados semiconductores) podemos manipular la cantidad de electrones presentes a través de un proceso llamado dopado, que significa introducir impurezas en semiconductores extremadamente puros. Saquen sus tablas periódicas, ya que este proceso sólo es posible debido a las propiedades químicas de ciertos elementos.

Los semiconductores vienen de lo que era conocido como el Grupo IV de la tabla periódica, que incluye carbono, silicio y germanio. A menudo, la ciencia ficción hace referencia a estos elementos, ya que por sus propiedades son un aspecto clave en sistemas biológicos y maquinaria. Cada elemento del Grupo IV tiene cuatro electrones en su nivel de energía más externo, el que puede almacenar hasta ocho electrones. Esto es clave, ya que estos elementos del grupo IV A continuación, pueden formar cuatro enlaces covalentes en una red cristalina, y así estabilizar el nivel de energía más externo de cada átomo.

Los elementos del Grupo III (como el boro o el galio) tienen tres electrones en su capa electrónica más externa, mientras que los elementos del grupo V (tales como el fósforo o el arsénico) tienen cinco electrones en su capa electrónica más externa (Figura 3). Los elementos de ambos grupos también pueden formar enlaces covalentes con electrones.

Si tomas un trozo de un elemento del Grupo IV puro como silicio y lo "atacas" con algunos átomos del grupo III como el boro, el boro intentará encajar en la red cristalina. Sin embargo, como el boro sólo tiene tres electrones en su capa externa, uno de sus cuatro vecinos de silicio en el entramado va a quedarse sin un electrón en el enlace covalente. Así, el enlace tendrá una carga neta positiva (ausencia de electrones), que puede atraer y aceptar un electrón de un enlace vecino. Por lo tanto, los átomos del Grupo III se conocen como aceptores.

Dopar un semiconductor con aceptores generará un exceso de estas "ausencias de electrones" (conocidas como huecos), lo que se traduce en la aparición de un excedente de cargas positivas en el material, que llevan a que este material se conozca como "dopado positivamente", o material "tipo p".

Como es de esperar, cuando elementos del grupo V como el fósforo -que tienen cinco electrones- se añaden al silicio, se forman enlaces con un exceso de electrones. Así, los átomos del Grupo V se conocen como donantes. Dopar un semiconductor con donantes va a generar una gran concentración de electrones cargados negativamente, logrando que el material esté "dopado negativamente", también conocido como material "tipo n".

Los semiconductores son capaces por si mismos de conducir la electricidad, estén dopados positiva o negativamente. Pero, ¿qué ocurre cuando se pone un bloque de un semiconductor tipo p junto a un bloque de un semiconductor tipo n? Los electrones en el material tipo n se sienten atraídos hacia la carga positiva del material dopado positivamente, y el exceso de electrones y huecos se topan en la unión entre los dos bloques. Cuando los electrones y los huecos se encuentran, se anulan mutuamente y forman una capa sin cargas, o capa de agotamiento. Al igual que la bicapa neuronal, las propiedades del potencial eléctrico resultante en la unión p-n le permite muchas funciones.

La capa de agotamiento, debido a la falta de cargas libres, no es conductora sin un voltaje externo aplicado. Si el semiconductor de tipo p se conecta al polo positivo y el tipo n al polo negativo de una batería, se obtiene una disminución de la barrera de potencial eléctrico y permite a los electrones atravesar la unión p-n, lo que resulta en flujo de corriente eléctrica. Este proceso se conoce como polarización directa. Si, por otro lado, el semiconductor de tipo p está conectado al polo negativo y el tipo n al polo positivo, los electrones y los huecos se alejan de la zona de agotamiento, lo que se traduce en una mayor barrera de potencial eléctrico, que se comporta como un aislante. Esto se llama polarización inversa.

Así, las uniones p-n son usadas usualmente como diodos, dispositivos que permiten el flujo de electricidad en una dirección pero no en la dirección opuesta. Es importante destacar que los diodos permiten el flujo de corriente solo en una dirección cuando se alcance un voltaje determinado, o "voltaje directo".

Teoría de Transistores

Ahora que entendemos de uniones p-n y diodos, veamos un experimento mental que nos ayudará a ilustrar cómo funciona un transistor. ¿Qué pasaría si hicieras un "sandwich" con un bloque de material tipo p colocado entre dos bloques de material tipo p?

Ahora tenemos un dispositivo con una unión "n-p" y una unión "p-n" que actúan como dos diodos colocados espalda con espalda. ¿Qué pasaría si se aplica un gran voltaje a través del sándwich completo?

¡Pues no se genera ningún flujo de corriente! Con los diodos espalda con espalda, el voltaje aplicado, sin importar la dirección, siempre será polarizado inversamente por uno de los diodos, evitando el flujo de corriente. Pero....un segundo... ¿y si le añadimos un voltaje menor al terminal del bloque tipo p? ¿Qué pasa entonces?

La unión n-p superior, que se polariza inversamente por el voltaje principal, V1, evita que los "agujeros" crucen del bloque tipo p al bloque tipo n superior. Pero la polarización directa de la unión p-n inferior con el voltaje menor, V2, causa que un gran número de electrones se disparen hacia el bloque tipo p. Así, con la unión n-p superior polarizada inversamente y la unión p-n inferior polarizada directamente y "encendida", se obtiene un aumento exponencial de los electrones que viajan a través del bloque tipo p y fluyen a través del otro terminal n. ¡Tenemos corriente!

El transistor de unión bipolar es el componente real de este sandwich. Hay dos variedades, el "PNP" y el "NPN". La configuración NPN es la más común, por lo que nos centraremos en él. En un transistor NPN, los tres terminales se denominan emisor (bloque N), base (bloque P), y colector (bloque N).

Ahora sabemos cómo funciona un transistor, pero ¿por qué es importante su función en nuestra misión para aprender sobre los potenciales de acción nerviosos? Un potencial de acción neuronal tiene un voltaje extremadamente pequeño, que necesita ser amplificado para poder observarlo. Si configuramos nuestro transistor NPN en forma similar a la manera que describimos en nuestro experimento mental, con nuestra pequeña señal neuronal entrando por el bloque P (la base) y un gran voltaje (batería) a través de los bloques N (colector y emisor), ¡tenemos un amplificador! Si medimos el voltaje entre el colector del transistor y la tierra, debiéramos ver una señal muy parecida a nuestro potencial de acción... ¡pero mucho más grande!

Construir un circuito para hacer esto es algo más complicado que sólamente conectar una señal neuronal, un transistor, y una batería, y vamosa verlo en detalle en esta clase. Pero....si construimos el circuito correctamente, debiéramos ser capaces de amplificar esa pequeña señal lo suficiente como para que podamos escucharla a través de un parlante común. Y ahora el mundo de las neuronas se abre para que lo estudiemos.

Ahora, a la parte II y a construir tu circuito...

*Nota: Desafortunadamente, No puedes llegar y comprar dos diodos de Casa Royal y soldarlos juntos para hacer un transistor. Los efectos que describimos arriba ocurren a nivel de la estructura cristalina.

Preguntas de Discusión

  1. ¿Por qué se les llama "semi"-conductores alos elementos del Grupo IV? ¿Conducen en forma continua? Si no, ¿qué tiene que pasar para que puedan conducir?
  2. ¿Qué pasa cuando seagregan átomos del Grupo II a un bloque de material del GRupo IV? ¿Y qué pasa cuando se agregan átomos del Grupo V se añaden a un material del Grupo IV? ¿Qué crees que pasaría si mezcláramos átomos de los Grupos III y V? ¿Crees que el resultado sería conductor?
  3. En nuestro experimento de temperatura aprendimos sobre las interacciones electro-químicas que ocurren en la membrana celular. ¿En qué crees que se parecen la unión p-n y la bicapa lipídica de la célula? ¿Qué diferencias tienen?
  4. ¿Cómo se relacionan los diodos con los transistores?