Conductores, aislantes, y semiconductores

¡Ale! ¿Así que quieres aprender electrónica? Espero que sepas dónde te metes. Seguro que tienes en mente algún invento que quieres hacer, pero espeeeera, hay que tener unos fundamentos básicos antes de ir a lo interesante. En esta serie de artículos vamos a ver los conceptos clave para que puedas diseñar e interpretar circuitos. Verás que todos los temas que trataremos son muy simples tratados de uno en uno, pero no te dejes engañar, cuando se interrelacionan no es tan sencilla la cosa, así que asegúrate de entenderlos todos. Por cierto, un aviso: todo lo que te voy a contar es mentira en un sentido estricto. Ahora bien, es una razonable aproximación de la verdad. Venga, al lío.

Conductores, aislantes, y semiconductores.

Incluso si no te interesa la electrónica, estos términos te son familiares. Para los dos primeros, conductor y aislante, seguro que tienes una buena intención de lo que significan. Para el tercero, semiconductor, igual ya te entra más duda. Es una palabra que se usa en diferentes contextos y puede llevar a confusión. Por ejemplo, seguro que has oído en las noticias que la industria de los semiconductores es clave para el mundo occidental. En ese contexto, seguramente se usa la palabra por una persona que no sabe lo que es un semiconductor, y se dirige el mensaje a una audiencia a la que no le interesa (no todo el mundo es tan friki como nosotros). Entonces, si no tienes claro lo que significa, haz un reset de intuición. No te preocupes que, si sigues aprendiendo, vas a conocerlos bien. Dicho esto, vamos a ver cada concepto.

El conductor

Un conductor es un material por el que puede circular la corriente. Bien, ya sé que todavía no hemos hablado de qué es la corriente, pero da igual, seguro que nos hemos entendido. Si piensas en un conductor, ¿qué te viene a la cabeza? Seguramente un cable o una plancha metálica. Guay, has acertado. En general, los metales son conductores. Quizá has pensado también en el agua. Muy típico que en las pelis de acción cutres mueran muchos tíos malos electrocutados a la vez por estar en el agua. Bien, eso, podría pasar, aunque depende de la pureza del agua. El agua pura no conduce, pero el agua real tiene impurezas (sales, sedimentos, partículas variadas) que la pueden hacer conductora. Mejor o peor conductora, pero conductora, al fin y al cabo. Si en algún momento te decides a pasar a la acción y hacer hardware, los conductores típicos con los que te encontrarás serán cables o pistas de cobre o estaño. Las pistas son esos hilillos que se ven en las placas de electrónica. En la siguiente imagen tienes algunos ejemplos.

Hemos dicho que, si la corriente puede circular por un material, es un conductor. Perfecto hasta ahí. Sin embargo, hay buenos y malos conductores. Son mejores o peores en función de su resistividad (ojo, concepto parecido a resistencia, pero diferente). La resistividad es una propiedad de un material que define lo bueno que es conduciendo corriente, independientemente de su geometría. La resistencia tiene en cuenta la geometría de un objeto. Por ejemplificar: el cobre, como elemento, tiene una determinada resistividad. Un trozo de cobre con unas dimensiones concretas, en cambio, tiene resistencia. Vamos a hacer una analogía con las pechugas de pollo. Las pechugas de pollo van a 7€ el kilo. Eso es el coste intrínseco de la pechuga de pollo independientemente de la forma de las pechugas que compres. Cuando vas a la caja y te cobran, te pesan el pollo y pagas una cantidad concreta. Por ejemplo, si compras medio kilo, pagas 3.5€.

La resistencia aumenta con la longitud de un objeto, y disminuye con la sección. Conclusión: conductores gordos y cortos tienen baja resistencia. Largos y estrechos, mucha resistencia. En los materiales con una resistividad alta circulará menos corriente que por aquellos con resistividad baja, en igualdad del resto de condiciones. Si queremos hacer circular la misma corriente por un material de resistividad alta y baja, tendremos que emplear mucha más energía en el material de resistividad alta, y eso no es bueno. En general, en electrónica utilizamos materiales con resistividad baja cuando queremos transmitir energía sin pérdidas. También se usan materiales con resistividad alta, de modo controlado, en un componente llamado resistor (más comúnmente conocido como resistencia, aunque el término no es correcto del todo), que tiene un montón de aplicaciones (básicamente, está en el 99% de circuitos) y que veremos pronto. La resistividad se mide en unidades de Ohmios-metro [Ω·m]. Esta unidad la puedes entender como “cuánto cuesta que pase la corriente por cada unidad de distancia”. Por cierto, a veces se usa la propiedad física inversa a la resistividad. A esa propiedad se le llama conductividad, y la unidad son Siemens por metro [S/m], también conocida como Mho [℧] (si, es un Ohm del revés…). La resistividad de los materiales conductores es, más o menos, constante a temperaturas “humanas”. Hay algunos materiales que son excepciones a lo mencionado, y se usan, precisamente, para medir la temperatura de manera indirecta tras medir su resistividad.

El conductor por excelencia en electrónica es el cobre. La razón es que tiene una resistividad muy baja y, además, es barato. Sin embargo, no es el único. Otros materiales frecuentes son la plata, el oro o el aluminio (y derivados). La principal ventaja de la plata es que conduce un poquiiiillo mejor que el cobre, aunque al ser tan poca la diferencia, no es frecuente encontrarlo. El oro conduce significativamente peor que el cobre, pero es un material que reacciona muy poco con su entorno, evitando que se deteriore con el paso del tiempo o por su entorno. El aluminio tiene la ventaja de que es ligero, así que en circuitos muy grandes puede ser interesante. Por ejemplo, en las redes de distribución eléctrica hay que llevar cables entre torre y torre. Si estos cables pesan mucho, hay que aumentar el número de torres, lo que afecta al coste de la red y al impacto ambiental. Además de los mencionados, hay muchos otros materiales, así como aleaciones variopintas. Es un tema muy extenso. Sin embargo, como usuarios de los materiales (diseñadores de electrónica), no necesitamos profundizar demasiado.

Vamos a lo siguiente.

El aislante

Lo que no es un conductor, es un aislante. Fácil. Vamos al siguiente tema.

Aaaalto, alguna cosa sí puede ser interesante comentar. Los aislantes no permiten el paso de corriente. Por ejemplo, un trozo de madera sabemos que no conduce electricidad. Tampoco lo hacen la mayoría de los plásticos. ¿Cuál es la principal aplicación de los aislantes en la electrónica? Actuar cómo elementos de seguridad. No descubro el fuego si digo que la electricidad te puede matar, así que es lógico que se usen materiales para asegurar que los usuarios de los productos eléctricos no se vayan a quedar fritos al manipularlos. Poner aislantes en las partes accesibles es una manera bastante natural de hacerlo. En algunos casos, escogemos un aislante u otro no por su característica principal, que es no conducir corriente, si no por sus características secundarias. Por ejemplo, nos puede interesar que transfiera bien o mal la temperatura, que sea duro o blando, que sea duradero… Es todo un mundo.

Hay un aislante que has visto un montón de veces, aunque, seguramente, sin reparar en ello. Se trata de la máscara de PCB. Una PCB, printed circuit board, es una base sobre la que montar los componentes electrónicos. El concepto lo he resumido un poco, ya lo veremos en detalle más adelante. Las PCBs están recubiertas de un aislante que se utiliza para tapar las pistas conductoras y evitar que se produzcan cortocircuitos si caen partículas conductoras sobre ellas. Este aislante da a las PCBs el color verde tan característico y asociado a los productos electrónicos. En realidad, hay máscaras de muchos colores, pero la industria ha estandarizado el verde de facto.

En la imagen de arriba, una capa verde cubre la PCB. Debajo de esta, hay cobre, que tiene un color marrón brillante, pero que ha quedado tapado por la máscara. Si te fijas, en los agujeros (llamados vías) se puede ver cómo algunas zonas en el radio interior han quedado sin cubrir por máscara.

El semiconductor

Buff, asunto difícil de explicar. Saber “controlar” los semiconductores es lo que ha permitido prácticamente todo el desarrollo tecnológico desde principios del siglo XX, así que ya te puedes imaginar que es un tema tremendamente amplio. Vamos a empezar por lo fácil, el resto ya lo aprenderás en lo que te queda de vida.

Por sintetizar mucho: un semiconductor es un material que se puede comportar como conductor o como un aislante. La gracia es que podamos controlar el modo en que se comporta a través de estímulos eléctricos. De los semiconductores nos interesan sus estados extremos, esto es, conducir o aislar, así como sus estados intermedios, es decir, que conduzcan mejor o peor según la aplicación que les queramos dar. Los estados extremos dan lugar a una rama de la electrónica conocida como electrónica digital, en la que se encuentran los microprocesadores, memorias, puertas lógicas, FPGAs, etc. Su uso en estados extremos no se limita únicamente a esa rama de la electrónica. Prácticamente en todas las aplicaciones hay semiconductores en estados extremos. Los encontramos en modo “resistividad controlada” en sistemas de comunicaciones y de audio. Los componentes semiconductores más habituales son los diodos y transistores que, a su vez, tienen muchas variantes. Los diodos son semiconductores que permiten que la corriente pase en un único sentido. Los diodos más famosos son los LEDs (Light Emitting Diode), que funcionan como diodos normales, pero emiten luz de algún color cuando están en modo conductor. Los transistores permiten que la corriente circule solo cuándo se activa el transistor mediante ciertas condiciones eléctricas. En futuras entradas veremos, de manera abundante, diferentes aplicaciones de los semiconductores, así como los componentes eléctricos que podemos usar en un circuito. Los componentes semiconductores se usan asociados entre ellos de diferentes maneras. Los famosos “chips”, o circuitos integrados, no son más que un porrón de componentes semiconductores asociados de ciertas maneras para cumplir una función específica y empaquetados dentro de un “package”.

En la imagen superior, puedes ver un chip de cerca. En realidad, lo que ves es el package, pues los semiconductores están dentro.

El material semiconductor más usado es el silicio porque es muy abundante (se puede obtener de la arena). El silicio “al natural” es un aislante. Sin embargo, es posible añadir impurezas que lo convierten en conductor. La correcta adición de impurezas hace que pueda alternar entre conductor y aislante en función de las condiciones eléctricas a las que está sometido el material. Al proceso de añadir impurezas se le llama dopar al material. La física relacionada con los semiconductores es muy compleja y no la vamos a tocar, de momento.

Los procesos de fabricación de semiconductores han ido evolucionando a lo largo de los años siguiendo una progresión increíble. A la fecha de publicación de este artículo, se fabrican semiconductores de entre 2 y 10 nanómetros. Esto es un millón de veces más pequeño que un milímetro. La industria de los semiconductores es realmente sofisticada, hasta el punto de que su control se ha vuelto una cuestión geoestratégica, pero no nos desviemos del tema. Desde hace varias décadas, se trabaja por reducir el tamaño de los transistores para poder agrupar más de ellos en un espacio concreto y, de esta manera, aumentar la capacidad de computación. El ritmo al que se reduce el tamaño de los transistores en función del tiempo se conoce como Ley de Moore. Esta Ley (que es empírica) dice que el número de transistores que caben en un chip se duplica cada dos años aproximadamente. Esta progresión es muy bestia si lo miras en un periodo temporal grande. Si esta progresión es, o no, sostenible en el tiempo, solo el futuro lo sabe. Múltiples veces se ha pronosticado que no lo sería y (aunque un poco más lenta) ahí sigue.

Hacia dónde vamos

En esta entrada hemos visto los aspectos más fundamentales sobre los que se sostiene la electrónica. Ésta consiste en combinar adecuadamente materiales conductores, semiconductores y aislantes para que hagan cosas que nos interesan. Vale, es un poco vaga la descripción. Es como si te digo que construir una casa consiste en mover diferentes tipos de materiales y colocarlos en un orden preciso. Técnicamente es así, pero sin mucho conocimiento y planificación no vas a construir nada. Pues aquí nos pasa lo mismo, y es a lo que vamos a poner solución en las siguientes partes de esta serie, empezando por lo fundamental: ¿Qué es un circuito?