martes, 18 de agosto de 2015

Los detectores cristalinos de contacto

Las corrientes de alta frecuencia producidas por Hertz (Hamburgo 1857- Bonn 1894) con su oscilador, son por primera vez receptadas con el  detector de Branly (Amiens 1864-París 1940) en 1890.

Este detector, no está basado en el uso de ningún cristal mineral. Se trata de un Cohesor constituido por limaduras de hierro dentro de un tubo de cristal que permite su conexión a un circuito gracias a los contactos metálicos que éste posee en sus extremos. El dispositivo de Brandly, transforma –rectifica- las alternancias de las corrientes de alta frecuencia en contínuas, permitiendo así su captación y transformación en sonido audible a través de un dispositivo electromagnético vibrante –auricular-.



Cohesor de mi fabricación

Acabamos de definir cuál es pues el objeto de todo aparato rectificador, todos los intentos y descubrimientos posteriores van a mejorar el primitivo cohesor en algún o algunos puntos fundamentales, sobretodo en cuanto a estabilidad, rendimiento y simplicidad.

No nos detendremos más en este primitivo y fundamental dispositivo, pero sí diremos que uno de sus inconvenientes era su limitada duración de uso al cohesionarse las partículas metálicas de su interior en un breve período de uso y permitir por conducción normal –no rectificada- el paso de las corrientes alternas, invalidándose como detector. Para solventar esto, un aparato solidario al cohesor, llamado descohesionador, golpeaba periódicamente el dispositivo con el fin de provocar que las limaduras metálicas conservaran su anisotropía conductiva, clave del invento.

Ciertamente esta propiedad anisotrópica es el origen de toda la investigación y desarrollo del particular,pues todos los rectificadores de corriente alterna, sean de baja o alta frecuencia-detectores- cumplen esta especificidad. Nació así con el invento-descubrimiento una fructífera línea de investigación que ensayaría muchísimos métodos para el fin requerido. Se usaron contactos entre diferentes metales oxidados o no, puentes entre óxidos, procesos electrolíticos…. Muchos funcionaron y constituyeron la gran familia de detectores – Magnéticos (Marconi 1902), Electrolíticos, de óxidos en contacto, de Selenio-Hierro etc.- No mencionaremos sus especificidades por estar éstas alejadas de nuestro particular interés, pero insistiremos en la importancia de cada uno de ellos para el desarrollo de los posteriores en la misma o diferente dirección.
Los detectores de cristal

Entendemos por detectores de cristal, aquellos que como mínimo en uno de sus polos usan una substancia cristalina para establecer el contacto. El físico alemán K.F. Braun (Fulda 1850-1918), premio Nobel en 1909, describe por primera vez las propiedades conductoras anisotrópicas de ciertas sustancias cristalinas metálicas. El clima de investigación en aquella época era inmenso. Muchos científicos y experimentadores en diferentes campos se centraban en intentar mejorar el resultado en algún punto a su colega-competidor. Mencionamos esto para explicar el motivo por el que a veces es difícil establecer la autoría de un descubrimiento concreto en un entorno de constante aporte. Las patentes no siempre hacen justicia al más sabio, pero sí al más rápido. No obstante, parece claro que fue el americano G. W. Pickard (1877-1956) el primero en desarrollar y patentar un dispositivo eficaz para poder usar las propiedades eléctricas de algunos cristales minerales descritas por Braun, con el objeto de usarlas como fuente de rectificación de corrientes alternas para uso radioeléctrico.



Greenleaf Whittier Pickard



Detector de Pickard

Paralelamente, el italiano Marconi (Bolonia 1874-1937), quien compartiría en 1909 el premio Nobel de física con Karl Ferdinand Braun (Alemania1850, †  1918) (Por su contribución al desarrollo de la telegrafía inalámbrica), patentaba en 1902 un detector magnético. La simplicidad y rendimiento de los detectores de cristal, que permitían su uso en radiofrecuencias de forma muy excelente, determinaron su generalización de uso e investigación durante mucho tiempo hasta la aplicación para el mismo fin, del llamado efecto Edison ( 1883 ) en lámparas de vacío aprovechado por J.A. Fleming ( Lancaster 1849-1945) en 1905 en su válvula Diodo. Ésta permitía no solo la detección, sino además la amplificación radioeléctrica progresivamente, decantando el uso de nuestros primitivos rectificadores. La invención del Triodo por De Forest en 1907 abrirá las puertas al uso de las válvulas de vacío durante cinco décadas. No obstante, por su bajo coste y simplicidad el uso popular de detectores de cristal se mantiene también mucho tiempo. Será ya en 1928 cuando E.Aymerich promotor del Radio Club Terrassa, convoque el primer concurso de receptores de Galena obviamente basados, como veremos, en las propiedades rectificadoras del suslfuro de plomo, probando el dato la practicidad dos décadas después del invento del diodo de los primitivos detectores de cristal.

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.



2 comentarios:

  1. ¡ Gran e interesante artículo, cuánta felicidad existía en aquella época de tantas investigaciones!

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  2. ¡David, esperamos otro estupendo artículo tuyo, por fa!. Saludos.

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