Un detector de cristal es un componente electrónico obsoleto utilizado en algunos receptores de radio de principios del siglo XX que consiste en un trozo de mineral cristalino que rectifica la señal de radio de corriente alterna . [1] Se empleó como detector ( demodulador ) para extraer la señal de modulación de audio de la portadora modulada, para producir el sonido en los auriculares. [2] Fue el primer tipo de diodo semiconductor , [3] y uno de los primeros dispositivos electrónicos semiconductores . [4] El tipo más común era el llamado detector de bigotes de gato , que consistía en un trozo de mineral cristalino, generalmente galena ( sulfuro de plomo ), con un fino alambre tocando su superficie. [1] [4] [5]
La "conducción asimétrica" de la corriente eléctrica a través de contactos eléctricos entre un cristal y un metal fue descubierta en 1874 por Karl Ferdinand Braun . [6] Los cristales fueron utilizados por primera vez como detectores de ondas de radio en 1894 por Jagadish Chandra Bose en sus experimentos con microondas . [7] [8] Bose patentó por primera vez un detector de cristal en 1901. [9] El detector de cristal fue desarrollado hasta convertirse en un componente de radio práctico principalmente por GW Pickard , [4] [10] [11] quien comenzó a investigar los materiales del detector en 1902. y encontró cientos de sustancias que podrían usarse para formar uniones rectificadoras. [2] [12] Los principios físicos mediante los cuales funcionaban no se entendían en el momento en que se utilizaron, [13] pero la investigación posterior sobre estas uniones semiconductoras de contacto puntual primitivo en las décadas de 1930 y 1940 condujo al desarrollo de la electrónica semiconductora moderna . [1] [4] [14] [15]
Los receptores de radio no amplificados que utilizaban detectores de cristal se denominan radios de cristal . [16] La radio de cristal fue el primer tipo de receptor de radio utilizado por el público en general, [14] y se convirtió en el tipo de radio más utilizado hasta la década de 1920. [17] Se volvió obsoleto con el desarrollo de receptores de tubos de vacío alrededor de 1920, [1] [14] pero continuó utilizándose hasta la Segunda Guerra Mundial y sigue siendo un proyecto educativo común hoy en día gracias a su diseño simple.
El contacto entre dos materiales diferentes en la superficie del cristal semiconductor del detector forma un diodo semiconductor crudo , que actúa como rectificador , conduciendo bien la corriente eléctrica en una sola dirección y resistiendo la corriente que fluye en la otra dirección. [2] En una radio de cristal , se conectaba entre el circuito sintonizado , por el que pasaba la corriente oscilante inducida en la antena desde la emisora de radio deseada, y el auricular. Su función era actuar como demodulador , rectificando la señal de radio, convirtiéndola de corriente alterna a corriente continua pulsante , para extraer la señal de audio ( modulación ) de la onda portadora de radiofrecuencia . [2] [4] Un demodulador de AM que funciona de esta manera, rectificando la portadora modulada, se denomina detector de envolvente. La corriente de audiofrecuencia producida por el detector pasó a través del auricular haciendo que el diafragma del auricular vibre, empujando el aire para crear ondas sonoras . El auricular era típicamente de tipo cristal piezoeléctrico, tan sensible que el receptor de radio podía funcionar sin fuente de alimentación eléctrica, utilizando sólo la energía de la onda de radio incidente para accionar el auricular directamente, sin amplificación electrónica. Este diagrama muestra una explicación simplificada de cómo funciona: [6] [18] [19]
Las radios Crystal no tenían componentes amplificadores para aumentar el volumen de la señal de radio; La potencia del sonido producida por el auricular procedía únicamente de las ondas de radio de la estación de radio recibida, interceptadas por la antena. Por lo tanto, la sensibilidad del detector fue un factor importante que determina la sensibilidad y el rango de recepción del receptor, lo que motivó muchas investigaciones para encontrar detectores sensibles.
Además de su uso principal en radios de cristal, los detectores de cristal también se utilizaron como detectores de ondas de radio en experimentos científicos, en los que la corriente de salida de CC del detector se registraba mediante un galvanómetro sensible , y en instrumentos de prueba como los medidores de ondas utilizados para calibrar el frecuencia de los transmisores de radio . [20]
El detector de cristales consistía en un contacto eléctrico entre la superficie de un mineral cristalino semiconductor y un metal u otro cristal. [2] [4] Dado que en el momento en que se desarrollaron nadie sabía cómo funcionaban, los detectores de cristal evolucionaron mediante prueba y error. La construcción del detector dependía del tipo de cristal utilizado, ya que se descubrió que los diferentes minerales variaban en cuanto a la cantidad de área de contacto y presión sobre la superficie del cristal necesaria para realizar un contacto rectificador sensible. [2] [21] Se utilizaron cristales que requerían una ligera presión, como la galena , con el contacto de alambre de bigote de gato; El silicio se utilizó con un punto de contacto más pesado, mientras que el carburo de silicio ( carborundo ) podía tolerar la presión más intensa. [2] [21] [22] Otro tipo utilizaba dos cristales de diferentes minerales con sus superficies en contacto, siendo el más común el detector "Perikon". Dado que el detector sólo funcionaría cuando el contacto se hiciera en ciertos puntos de la superficie del cristal, el punto de contacto casi siempre se hacía ajustable. A continuación se detallan las principales categorías de detectores de cristal utilizados a principios del siglo XX:
Patentado por Karl Ferdinand Braun y Greenleaf Whittier Pickard [5] en 1906, este era el tipo más común de detector de cristales, utilizado principalmente con galena [23] [24] pero también con otros cristales. Consistía en un trozo de mineral cristalino del tamaño de un guisante en un soporte de metal, con su superficie tocada por un fino alambre o aguja de metal (el "bigote de gato"). [2] [4] [22] [25] El contacto entre la punta del cable y la superficie del cristal formó una unión metal-semiconductor de contacto puntual inestable y tosca , formando un diodo de barrera Schottky . [4] [26] El bigote de alambre es el ánodo y el cristal es el cátodo ; La corriente puede fluir desde el cable hacia el cristal, pero no en la otra dirección.
Sólo ciertos sitios en la superficie del cristal funcionaban como uniones rectificadoras. [4] [21] El dispositivo era muy sensible a la geometría exacta y la presión de contacto entre el alambre y el cristal, y el contacto podía verse interrumpido por la más mínima vibración. [4] [6] [13] Por lo tanto, antes de cada uso había que encontrar un punto de contacto utilizable mediante prueba y error. [4] El cable se suspendió de un brazo móvil y el usuario lo arrastró a través de la cara de cristal hasta que el dispositivo comenzó a funcionar. [21] En una radio de cristal, el usuario sintonizaría la radio en una estación local fuerte si fuera posible y luego ajustaría el bigote del gato hasta que la estación o el ruido de la radio (un silbido estático) se escuchara en los auriculares de la radio. [27] Esto requirió cierta habilidad y mucha paciencia. [6] Un método alternativo de ajuste era utilizar un zumbador electromecánico operado por batería conectado al cable de tierra de la radio o acoplado inductivamente a la bobina de sintonización, para generar una señal de prueba. [27] [28] La chispa producida por los contactos del timbre funcionaba como un transmisor de radio débil cuyas ondas de radio podían ser recibidas por el detector, por lo que cuando se encontraba un punto rectificador en el cristal el zumbido se podía escuchar en los auriculares, al momento en el que se apagó el timbre.
El detector constaba de dos partes montadas una al lado de la otra sobre una base plana no conductora: un mineral cristalino que formaba el lado semiconductor de la unión, y un "bigote de gato", una pieza elástica de alambre metálico delgado, que formaba el lado metálico de la unión.
Inventado en 1906 por Henry HC Dunwoody , [33] [34] consistía en un trozo de carburo de silicio (SiC, entonces conocido con el nombre comercial de carborundo ), sujeto entre dos contactos metálicos planos, [4] [21] [25 ] o montado en una aleación fusible en una copa de metal con un contacto que consiste en una punta de acero endurecido presionada firmemente contra ella con un resorte. [35] El carborundo, un producto artificial de los hornos eléctricos producido en 1893, requería una presión mayor que el contacto del bigote del gato. [2] [4] [21] [35] El detector de carborundo era popular [23] [35] porque su contacto resistente no requería reajuste cada vez que se usaba, como los delicados dispositivos de bigotes de gato. [2] [21] [25] Algunos detectores de carborundo se ajustaron en fábrica y luego se sellaron y no requirieron ajuste por parte del usuario. [2] No era sensible a las vibraciones, por lo que se usaba en estaciones inalámbricas a bordo donde el barco era sacudido por las olas, y en estaciones militares donde se podía esperar vibración de los disparos. [4] [21] Otra ventaja era que toleraba altas corrientes y no podía "quemarse" con la electricidad atmosférica de la antena. [2] Por lo tanto, era el tipo más común utilizado en estaciones de radiotelegrafía comerciales. [35]
El carburo de silicio es un semiconductor con una banda prohibida ancha de 3 eV, por lo que, para hacer que el detector sea más sensible, generalmente se aplicaba un voltaje de polarización directa de varios voltios a través de la unión mediante una batería y un potenciómetro . [21] [25] [35] [34] El voltaje se ajustó con el potenciómetro hasta que el sonido fue más fuerte en el auricular. La polarización movió el punto de operación a la "rodilla" curva de la curva corriente-voltaje del dispositivo , que produjo la mayor corriente rectificada. [21]
Patentado y fabricado por primera vez en 1906 por Pickard, [10] [34] este fue el primer tipo de detector de cristal que se produjo comercialmente. [11] El silicio requería más presión que el contacto con los bigotes del gato, aunque no tanta como el carborundo. [21] Se incrustaba una pieza plana de silicio en una aleación fusible en una copa de metal, y se presionaba contra ella una punta de metal, generalmente de latón u oro , con un resorte. [25] [36] La superficie del silicio generalmente se esmerilaba y pulía. El silicio también se utilizó con contactos de antimonio [21] y arsénico [29] . El detector de silicio era popular porque tenía las mismas ventajas que el carborundo; su contacto firme no podía soltarse por la vibración y no requería una batería polarizada, por lo que tuvo un amplio uso en estaciones de radiotelegrafía comerciales y militares. [21]
Otra categoría eran los detectores que utilizaban dos cristales diferentes con sus superficies en contacto, formando un contacto de cristal a cristal. [4] [25] El detector "Perikon", inventado en 1908 por Pickard [37] era el más común. Perikon significa " PER fect p I c K ard c ON tact". [4] Consistía en dos cristales en soportes de metal, montados uno frente al otro. Un cristal era zincita ( óxido de zinc , ZnO), el otro era un sulfuro de hierro y cobre, ya sea bornita (Cu 5 FeS 4 ) o calcopirita (CuFeS 2 ). [21] [25] En el detector comercial de Pickard (ver imagen) , se montaron múltiples cristales de zincita en una aleación fusible en una copa redonda (a la derecha) , mientras que el cristal de calcopirita se montó en una copa sobre un brazo ajustable frente a él (a la derecha). izquierda) . El cristal de calcopirita se avanzó hasta tocar la superficie de uno de los cristales de zincita. Cuando se localizó un punto sensible, el brazo se bloqueó en su lugar con el tornillo de fijación. Se proporcionaron varias piezas de zincita porque el frágil cristal de zincita podía dañarse con corrientes excesivas y tendía a "quemarse" debido a la electricidad atmosférica de la antena de cable o a las corrientes que se filtraban al receptor desde los potentes transmisores de chispas utilizados en ese momento. Este detector también se usaba a veces con un pequeño voltaje de polarización directa de alrededor de 0,2 V de una batería para hacerlo más sensible. [21] [35]
Aunque el "Perikon" de zincita-calcopirita fue el detector de cristal a cristal más utilizado, también se utilizaron otros pares de cristales. Se utilizó zincita con carbono, galena y telurio . El silicio se utilizó con cristales de arsénico , [29] antimonio [21] y telurio .
Durante las tres primeras décadas de la radio, de 1888 a 1918, llamada era de la telegrafía inalámbrica o de la "chispa", se utilizaron primitivos transmisores de radio llamados transmisores de chispa , que generaban ondas de radio mediante una chispa eléctrica . [16] [40] Estos transmisores no pudieron producir las ondas sinusoidales continuas que se utilizan para transmitir audio (sonido) en la transmisión de radio AM o FM moderna. [41] En lugar de ello, los transmisores de chispa transmitían información mediante telegrafía inalámbrica ; el usuario encendía y apagaba rápidamente el transmisor tocando una tecla de telégrafo , produciendo pulsos de ondas de radio que deletreaban mensajes de texto en código Morse . Por lo tanto, los receptores de radio de esta época no tenían que demodular la onda de radio, extraer de ella una señal de audio como lo hacen los receptores modernos, simplemente tenían que detectar la presencia o ausencia de las ondas de radio, emitir un sonido en el auricular cuando la onda de radio estaba presente para representar los "puntos" y "guiones" del código Morse. [1] El dispositivo que hacía esto se llamaba detector . El detector de cristal fue el más exitoso de muchos dispositivos detectores inventados durante esta época.
El detector de cristal evolucionó a partir de un dispositivo anterior, [42] el primer detector primitivo de ondas de radio, llamado coherer , desarrollado en 1890 por Édouard Branly y utilizado en los primeros receptores de radio en 1894-1896 por Marconi y Oliver Lodge . [4] [40] Fabricado en muchas formas, el cohesor consistía en un contacto eléctrico de alta resistencia, compuesto por conductores que se tocaban con una delgada película superficial resistiva, generalmente de oxidación, entre ellos. [40] Las ondas de radio cambiaron la resistencia del contacto, provocando que condujera una corriente continua. La forma más común consistía en un tubo de vidrio con electrodos en cada extremo, que contenía limaduras de metal sueltas en contacto con los electrodos. [1] [4] Antes de que se aplicara una onda de radio, este dispositivo tenía una alta resistencia eléctrica , en el rango de megaohmios. Cuando se aplicó una onda de radio de la antena a través de los electrodos, provocó que las limaduras se "coherieran" o se agruparan y la resistencia del cohesor cayó, lo que provocó que una corriente continua de una batería pasara a través de él, lo que hizo sonar una campana o produjo una marca en una cinta de papel que representa los "puntos" y las "rayas" del código Morse. La mayoría de los cohesores tuvieron que ser intervenidos mecánicamente entre cada pulso de ondas de radio para devolverlos a un estado no conductor. [16] [40]
El cohesor era un detector muy pobre, lo que motivó muchas investigaciones para encontrar mejores detectores. [4] Funcionó mediante complicados efectos superficiales de película delgada, por lo que los científicos de la época no entendían cómo funcionaba, excepto por una vaga idea de que la detección de ondas de radio dependía de alguna propiedad misteriosa de los contactos eléctricos "imperfectos". [4] Los investigadores que investigaban el efecto de las ondas de radio en varios tipos de contactos "imperfectos" para desarrollar mejores cohesores inventaron detectores de cristal. [42]
La "conducción unilateral" de los cristales fue descubierta por Karl Ferdinand Braun , físico alemán, en 1874 en la Universidad de Würzburg . [7] [43] Estudió pirita de cobre (Cu 5 FeS 4 ), pirita de hierro (sulfuro de hierro, FeS 2 ), galena (PbS) y sulfuro de cobre y antimonio (Cu 3 SbS 4 ). [44]
Esto fue antes de que se descubrieran las ondas de radio, y Braun no aplicó estos dispositivos en la práctica, pero estaba interesado en la característica corriente-voltaje no lineal que exhibían estos sulfuros. Al graficar la corriente en función del voltaje a través de un contacto hecho por un trozo de mineral tocado por un bigote de gato, encontró que el resultado era una línea que era plana para la corriente en una dirección pero curvada hacia arriba para la corriente en la otra dirección. de una línea recta, demostrando que estas sustancias no obedecían la ley de Ohm . Debido a esta característica, algunos cristales tenían hasta el doble de resistencia a la corriente en una dirección que a la corriente en la otra. En 1877 y 1878 informó sobre más experimentos con psilomelano ( Ba,H
2Oh)
2Minnesota
5oh
10. Braun realizó investigaciones que descartaron varias causas posibles de conducción asimétrica, como la acción electrolítica y algunos tipos de efectos termoeléctricos . [44]
Treinta años después de estos descubrimientos, tras los experimentos de Bose, Braun comenzó a experimentar con sus contactos cristalinos como detectores de ondas de radio. En 1906 obtuvo una patente alemana sobre un detector de bigotes de gato de galena, pero ya era demasiado tarde para obtener patentes en otros países.
Jagadish Chandra Bose utilizó cristales para la detección de ondas de radio en la Universidad de Calcuta en sus experimentos con óptica de microondas de 60 GHz entre 1894 y 1900. [45] [46] Al igual que otros científicos desde Hertz, Bose estaba investigando la similitud entre las ondas de radio y la luz duplicando Experimentos de óptica clásica con ondas de radio. [47] Para un receptor utilizó primero un cohesor que consistía en un resorte de acero que presionaba contra una superficie metálica por la que pasaba una corriente. Insatisfecho con este detector, alrededor de 1897 Bose midió el cambio de resistividad de decenas de metales y compuestos metálicos expuestos a microondas. [46] [48] Experimentó con muchas sustancias como detectores de contacto, centrándose en la galena .
Sus detectores consistían en un pequeño cristal de galena con un punto de contacto metálico presionado contra él con un tornillo de mariposa, montado dentro de una guía de ondas cerrada que terminaba en una antena de bocina para recoger las microondas. [46] Bose pasó una corriente de una batería a través del cristal y usó un galvanómetro para medirla. Cuando las microondas golpearon el cristal, el galvanómetro registró una caída en la resistencia del detector. En ese momento, los científicos pensaban que los detectores de ondas de radio funcionaban mediante algún mecanismo análogo a la forma en que el ojo detecta la luz, y Bose descubrió que su detector también era sensible a la luz visible y ultravioleta, lo que lo llevó a llamarlo retina artificial . Patentó el detector el 30 de septiembre de 1901. [7] [9] Esta a menudo se considera la primera patente de un dispositivo semiconductor.
Greenleaf Whittier Pickard puede ser la persona más responsable de hacer del detector de cristal un dispositivo práctico. Pickard, un ingeniero de American Wireless Telephone and Telegraph Co. inventó el detector de contacto rectificador, [49] [50] descubriendo la rectificación de ondas de radio en 1902 mientras experimentaba con un detector coherer que consistía en una aguja de acero apoyada sobre dos bloques de carbono. [11] [12] [50] El 29 de mayo de 1902 estaba operando este dispositivo, escuchando una estación de radiotelegrafía. Los Coherers requerían una fuente de corriente externa para funcionar, por lo que tenía el coherer y el auricular del teléfono conectados en serie con una batería de 3 celdas para proporcionar energía para operar el auricular. Molesto por el ruido de fondo de "fritura" causado por la corriente a través del carbón, se estiró para cortar dos de las celdas de la batería del circuito para reducir la corriente [11] [12]
La fritura cesó y las señales, aunque muy debilitadas, se volvieron materialmente más claras al quedar libres de su fondo de ruido microfónico. Echando un vistazo a mi circuito, descubrí para mi gran sorpresa que en lugar de cortar dos de las celdas, había cortado las tres; por lo tanto, el diafragma del teléfono funcionaba únicamente con la energía de las señales del receptor. Un detector de contacto que funciona sin batería local parecía tan contrario a toda mi experiencia anterior que... resolví de inmediato investigar a fondo el fenómeno. [11] [12]
La generación de una señal de audio sin una batería de polarización de CC hizo que Pickard se diera cuenta de que el dispositivo actuaba como un rectificador. Durante los siguientes cuatro años, Pickard llevó a cabo una búsqueda exhaustiva para encontrar qué sustancias formaban los contactos de detección más sensibles, probando finalmente miles de minerales [7] y descubrió alrededor de 250 cristales rectificadores. [4] [11] [12] En 1906 obtuvo una muestra de silicio fundido , un producto artificial recientemente sintetizado en hornos eléctricos, y superó a todas las demás sustancias. [11] [12] Patentó el detector de silicio el 30 de agosto de 1906. [7] [10] En 1907 formó una empresa para fabricar sus detectores, Wireless Specialty Products Co., y el detector de silicio fue el primer detector de cristal que se vendió. comercialmente. [11] Pickard pasó a producir otros detectores utilizando los cristales que había descubierto; el más popular fue el detector "Pyron" de pirita de hierro y el detector "Perikon" de cristal a cristal de zincita y calcopirita en 1908, [37] que significaba " PER fect p I c K ard c ON tact". [4]
Guglielmo Marconi desarrolló los primeros transmisores y receptores prácticos de telegrafía inalámbrica en 1896, y la radio comenzó a utilizarse para las comunicaciones alrededor de 1899. El cohesor se utilizó como detector durante los primeros 10 años, hasta aproximadamente 1906. [17] Durante la era de la telegrafía inalámbrica anterior hasta 1920 prácticamente no había radiodifusión ; La radio sirvió como un servicio de mensajería de texto punto a punto. Hasta que se empezó a utilizar el tubo de vacío triodo alrededor de la Primera Guerra Mundial , los receptores de radio no tenían amplificación y funcionaban únicamente con las ondas de radio captadas por sus antenas. [11] Las comunicaciones por radio a larga distancia dependían de transmisores de alta potencia (hasta 1 MW), enormes antenas de cable y un receptor con un detector sensible. [11]
Los detectores de cristales fueron inventados por varios investigadores aproximadamente al mismo tiempo. [4] Braun comenzó a experimentar con detectores de cristal alrededor de 1899, cuando Bose patentó su detector de galena. [7] Pickard inventó su detector de silicio en 1906. También en 1906 Henry Harrison Chase Dunwoody , [51] un general retirado del Cuerpo de Señales del Ejército de EE. UU., patentó el detector de carburo de silicio ( carborundo ), [33] [34] Braun patentó un detector de bigotes de gato galena en Alemania, [52] y LW Austin inventaron un detector de silicio-telurio.
Alrededor de 1907, los detectores de cristal reemplazaron al detector electrolítico y cohesor para convertirse en la forma de detector de radio más utilizada. [17] [53] Hasta que el tubo de vacío triodo comenzó a usarse durante la Primera Guerra Mundial, los cristales eran la mejor tecnología de recepción de radio, utilizados en receptores sofisticados en estaciones de telegrafía inalámbrica, así como en radios de cristal caseras. [54] En las estaciones de radiotelegrafía transoceánica se utilizaron elaborados receptores de cristal acoplados inductivamente alimentados por antenas de alambre de una milla de largo para recibir el tráfico de telegramas transatlánticos. [55] Se realizaron muchas investigaciones para encontrar mejores detectores y se probaron muchos tipos de cristales. [30] El objetivo de los investigadores era encontrar cristales rectificadores que fueran menos frágiles y sensibles a las vibraciones que la galena y la pirita. Otra propiedad deseada era la tolerancia a corrientes elevadas; Muchos cristales se volverían insensibles cuando se los sometiera a descargas de electricidad atmosférica de la antena de cable exterior o a la corriente del potente transmisor de chispas que se filtrara al receptor. El carborundo resultó ser el mejor de ellos; [35] podría rectificarse cuando se sujeta firmemente entre contactos planos. Por lo tanto, se utilizaron detectores de carborundo en estaciones inalámbricas a bordo donde las olas hacían que el suelo se balanceara, y en estaciones militares donde se esperaban disparos. [4] [21]
En 1907-1909, George Washington Pierce en Harvard realizó una investigación sobre cómo funcionaban los detectores de cristal. [11] [44] Utilizando un osciloscopio fabricado con el nuevo tubo de rayos catódicos de Braun , produjo las primeras imágenes de las formas de onda en un detector en funcionamiento, demostrando que rectificaba la onda de radio. Durante esta era, antes de la física moderna del estado sólido , la mayoría de los científicos creían que los detectores de cristal funcionaban mediante algún efecto termoeléctrico . [34] Aunque Pierce no descubrió el mecanismo por el cual funcionaba, sí demostró que las teorías existentes estaban equivocadas; Las formas de onda de su osciloscopio mostraron que no había retraso de fase entre el voltaje y la corriente en el detector, descartando mecanismos térmicos. Pierce originó el nombre de rectificador de cristal .
Aproximadamente entre 1905 y 1915 se desarrollaron nuevos tipos de transmisores de radio que producían ondas sinusoidales continuas : el convertidor de arco (arco de Poulsen) y el alternador de Alexanderson . Estos reemplazaron lentamente a los viejos transmisores de chispas de ondas amortiguadas . Además de tener un rango de transmisión más largo, estos transmisores podrían modularse con una señal de audio para transmitir sonido mediante modulación de amplitud (AM). Se descubrió que, a diferencia del cohesor, la acción rectificadora del detector de cristal le permitía demodular una señal de radio AM, produciendo audio (sonido). [16] Aunque otros detectores utilizados en ese momento, el detector electrolítico , la válvula Fleming y el triodo también podían rectificar señales de AM, los cristales eran el detector de AM más simple y barato. [16] A medida que más y más estaciones de radio comenzaron a experimentar con la transmisión de sonido después de la Primera Guerra Mundial, una creciente comunidad de radioescuchas construyó o compró radios de cristal para escucharlas. [16] [56] El uso continuó creciendo hasta la década de 1920, cuando las radios de tubo de vacío las reemplazaron. [16] [56]
Algunos diodos semiconductores tienen una propiedad llamada resistencia negativa , lo que significa que la corriente que los atraviesa disminuye a medida que el voltaje aumenta en una parte de su curva I-V . Esto permite que un diodo, normalmente un dispositivo pasivo , funcione como amplificador u oscilador . Por ejemplo, cuando se conecta a un circuito resonante y se polariza con un voltaje de CC, la resistencia negativa del diodo puede cancelar la resistencia positiva del circuito, creando un circuito con resistencia de CA cero, en el que surgen corrientes oscilantes espontáneas. Esta propiedad fue observada por primera vez en detectores de cristal alrededor de 1909 por William Henry Eccles [57] [58] y Pickard. [12] [59] Se dieron cuenta de que cuando sus detectores estaban polarizados con un voltaje de CC para mejorar su sensibilidad, a veces rompían en oscilaciones espontáneas. [59] Sin embargo, estos investigadores simplemente publicaron breves relatos y no buscaron el efecto.
La primera persona que explotó prácticamente la resistencia negativa fue el físico ruso autodidacta Oleg Losev , que dedicó su carrera al estudio de los detectores de cristales. En 1922, trabajando en el nuevo Laboratorio de Radio de Nizhny Novgorod, descubrió la resistencia negativa en uniones de contacto puntuales polarizadas de zincita ( óxido de zinc ). [59] [60] [61] [62] [63] Se dio cuenta de que los cristales amplificadores podrían ser una alternativa al frágil, costoso y derrochador tubo de vacío. Utilizó uniones cristalinas de resistencia negativa polarizada para construir amplificadores , osciladores y receptores de radio amplificadores y regenerativos de estado sólido , 25 años antes de la invención del transistor. [57] [61] [63] [64] Más tarde incluso construyó un receptor superheterodino . [63] Sin embargo, sus logros fueron pasados por alto debido al éxito de los tubos de vacío. Su tecnología fue denominada "Crystodyne" por el editor científico Hugo Gernsback [64], una de las pocas personas en Occidente que le prestó atención. Después de diez años abandonó la investigación sobre esta tecnología y quedó en el olvido. [63]
El diodo de resistencia negativa fue redescubierto con la invención del diodo túnel en 1957, por el que Leo Esaki ganó el Premio Nobel de Física en 1973 . Hoy en día, los diodos de resistencia negativa, como el diodo Gunn y el diodo IMPATT, se utilizan ampliamente como osciladores de microondas en dispositivos como pistolas de radar y abridores de puertas de garaje .
En 1907, el ingeniero británico Marconi, Henry Joseph Round, notó que cuando se pasaba corriente continua a través de una unión puntual de contacto de carburo de silicio (carborundo), se emitía una mancha de luz verdosa, azulada o amarillenta en el punto de contacto. [65] Round había construido un diodo emisor de luz (LED). Sin embargo, simplemente publicó una breve nota de dos párrafos al respecto y no investigó más. [66]
Mientras investigaba detectores de cristal a mediados de la década de 1920 en Nizhny Novgorod, Oleg Losev descubrió de forma independiente que las uniones polarizadas de carborundo y zincita emitían luz. [65] Losev fue el primero en analizar este dispositivo, investigar la fuente de la luz, proponer una teoría de cómo funcionaba e imaginar aplicaciones prácticas. [65] Publicó sus experimentos en 1927 en una revista rusa, [67] y los 16 artículos que publicó sobre LED entre 1924 y 1930 constituyen un estudio exhaustivo de este dispositivo. Losev realizó una extensa investigación sobre el mecanismo de emisión de luz. [63] [65] [68] Midió las tasas de evaporación de la bencina de la superficie del cristal y descubrió que no se aceleraba cuando se emitía luz, concluyendo que la luminiscencia era una luz "fría" no causada por efectos térmicos. [63] [68] Teorizó correctamente que la explicación de la emisión de luz estaba en la nueva ciencia de la mecánica cuántica , [63] especulando que era el inverso del efecto fotoeléctrico descubierto por Albert Einstein en 1905. [65] [69 ] Le escribió a Einstein al respecto, pero no recibió respuesta. [65] [69] Losev diseñó prácticas luces electroluminiscentes de carborundo, pero no encontró a nadie interesado en producir comercialmente estas fuentes de luz débiles.
Losev murió en la Segunda Guerra Mundial. Debido en parte al hecho de que sus artículos se publicaron en ruso y alemán, y en parte a su falta de reputación (su nacimiento en la clase alta le impidió una educación universitaria o un avance profesional en la sociedad soviética , por lo que nunca ocupó un puesto oficial superior al de técnico). ) su obra no es muy conocida en Occidente. [sesenta y cinco]
En la década de 1920, el tubo de vacío triodo amplificador , inventado en 1907 por Lee De Forest , reemplazó la tecnología anterior tanto en transmisores como en receptores de radio. [70] La transmisión de radio AM surgió espontáneamente alrededor de 1920, y escuchar radio explotó hasta convertirse en un pasatiempo enormemente popular. La audiencia inicial de las nuevas estaciones de radiodifusión probablemente fue en gran parte propietarios de radios de cristal. [16] Pero al carecer de amplificación, las radios de cristal debían escucharse con auriculares y solo podían recibir estaciones locales cercanas. Las radios amplificadoras de válvulas de vacío que comenzaron a producirse en masa en 1921 tenían un mayor alcance de recepción, no requerían el complicado ajuste de un bigote de gato y producían suficiente potencia de salida de audio para accionar altavoces , lo que permitía a toda la familia escuchar cómodamente junta, o bailar con música de la era del jazz. [dieciséis]
Así, durante la década de 1920, los receptores de válvulas de vacío reemplazaron a las radios de cristal en todos los hogares, excepto en los pobres. [7] [16] [71] Las estaciones de telegrafía inalámbrica comerciales y militares ya habían cambiado a receptores de tubo de vacío más sensibles. Los tubos de vacío pusieron fin temporalmente a la investigación de detectores de cristales. La acción temperamental y poco confiable del detector de cristal siempre había sido una barrera para su aceptación como componente estándar en equipos de radio comerciales [1] y fue una de las razones de su rápido reemplazo. Frederick Seitz, uno de los primeros investigadores de semiconductores, escribió: [13]
Tal variabilidad, rayana en lo que parecía místico, plagó la historia temprana de los detectores de cristales y provocó que muchos de los expertos en tubos de vacío de una generación posterior consideraran el arte de la rectificación de cristales como casi de mala reputación.
La radio de cristal se convirtió en un receptor alternativo barato utilizado en emergencias y por personas que no podían permitirse radios de tubo: [7] adolescentes, los pobres y los de los países en desarrollo. [56] La construcción de un juego de cristal siguió siendo un proyecto educativo popular para presentar a la gente la radio, utilizado por organizaciones como los Boy Scouts . [16] El detector de galena, el tipo más utilizado entre los aficionados, [4] se convirtió prácticamente en el único detector utilizado en radios de cristal a partir de ese momento. [23] [24] La unión de carborundo tuvo cierto uso como detector en las primeras radios de tubo de vacío porque era más sensible que el detector de fugas de rejilla triodo . Las radios Crystal se mantenían como radios de respaldo de emergencia en los barcos. Durante la Segunda Guerra Mundial en la Europa ocupada por los nazis, los grupos de Resistencia utilizaron la radio como una radio clandestina fácil de construir y ocultar. [56] Después de la Segunda Guerra Mundial, el desarrollo de diodos semiconductores modernos finalmente hizo obsoleto el detector de bigotes de gato de galena. [56]
Los dispositivos semiconductores como el detector de cristal funcionan según principios de la mecánica cuántica ; su funcionamiento no puede explicarse mediante la física clásica . El nacimiento de la mecánica cuántica en la década de 1920 fue la base necesaria para el desarrollo de la física de semiconductores en la década de 1930, durante la cual los físicos llegaron a comprender cómo funcionaba el detector de cristal. [72] La palabra alemana halbleiter , traducida al inglés como " semiconductor ", se utilizó por primera vez en 1911 para describir sustancias cuya conductividad caía entre conductores y aislantes , como los cristales de los detectores de cristal. [73] Felix Bloch y Rudolf Peierls alrededor de 1930 aplicaron la mecánica cuántica para crear una teoría de cómo se mueven los electrones a través de un cristal. [73] En 1931, Alan Wilson creó la teoría de bandas cuánticas que explica la conductividad eléctrica de los sólidos. [72] [73] Werner Heisenberg concibió la idea de un agujero , una vacante en una red cristalina donde debería estar un electrón, que puede moverse por la red como una partícula positiva; Tanto los electrones como los huecos conducen corriente en los semiconductores.
Se produjo un gran avance cuando se comprendió que la acción rectificadora de los semiconductores cristalinos no se debía únicamente al cristal sino a la presencia de átomos de impureza en la red cristalina. [74] En 1930 Bernhard Gudden y Wilson establecieron que la conducción eléctrica en semiconductores se debía a trazas de impurezas en el cristal, un semiconductor "puro" no actuaba como semiconductor, sino como aislante (a bajas temperaturas). [72] La actividad enloquecedoramente variable de diferentes piezas de cristal cuando se usan en un detector, y la presencia de "sitios activos" en la superficie, se debió a variaciones naturales en la concentración de estas impurezas en todo el cristal. El premio Nobel Walter Brattain , coinventor del transistor, señaló: [74]
En ese momento se podría conseguir un trozo de silicio... poner un bigote de gato en un lugar, y sería muy activo y rectificaría muy bien en una dirección. Lo movías un poquito (tal vez una fracción, una milésima de pulgada) y podías encontrar otro punto activo, pero aquí se rectificaría en la otra dirección.
Los productos químicos de "pureza metalúrgica" utilizados por los científicos para fabricar cristales detectores experimentales sintéticos tenían aproximadamente un 1% de impurezas que eran responsables de resultados tan inconsistentes. [74] Durante la década de 1930 se desarrollaron progresivamente mejores métodos de refinación, [7] que permitieron a los científicos crear cristales semiconductores ultrapuros en los que introducían cantidades controladas con precisión de oligoelementos (llamado dopaje ). [74] Esto creó por primera vez uniones semiconductoras con características confiables y repetibles, lo que permitió a los científicos probar sus teorías y luego hizo posible la fabricación de diodos modernos .
La teoría de la rectificación en una unión metal-semiconductor, del tipo utilizado en un detector de bigotes de gato, fue desarrollada de forma independiente en 1938 por Walter Schottky [75] en el laboratorio de investigación Siemens & Halske en Alemania y Nevill Mott [76] en la Universidad de Bristol , Reino Unido. . [72] [73] [74] Mott recibió el Premio Nobel de Física en 1977 . En 1949, en los Laboratorios Bell, William Shockley derivó la ecuación del diodo de Shockley que da la curva exponencial no lineal de corriente-voltaje de un detector de cristal, observada por los científicos desde Braun y Bose, que es responsable de la rectificación. [72]
El desarrollo de la tecnología de microondas durante la década de 1930, antes de la Segunda Guerra Mundial, para su uso en radares militares condujo a la resurrección del detector de cristal de contacto puntual. [7] [50] [74] Los receptores de radar de microondas requerían un dispositivo no lineal que pudiera actuar como un mezclador , para mezclar la señal de microondas entrante con una señal de oscilador local , para desplazar la señal de microondas hacia abajo a una frecuencia intermedia más baja (IF) en que podría amplificarse. [74] Los tubos de vacío utilizados como mezcladores en frecuencias más bajas en receptores superheterodinos no podían funcionar en frecuencias de microondas debido a una capacitancia excesiva. A mediados de la década de 1930, George Southworth de los Laboratorios Bell , trabajando en este problema, compró un viejo detector de bigotes de gato y descubrió que funcionaba en frecuencias de microondas. [7] [74] Hans Hollmann en Alemania hizo el mismo descubrimiento. [7] El Laboratorio de Radiación del MIT lanzó un proyecto para desarrollar diodos detectores de microondas, centrándose en el silicio, que tenía las mejores propiedades de detección. [7] Alrededor de 1942 se estaban produciendo en masa detectores de cristal de silicio de contacto puntual para receptores de radar como el 1N21 y el 1N23, que consistían en una rebanada de cristal de silicio dopado con boro con una punta de alambre de tungsteno presionada firmemente contra él. El contacto del bigote del gato no requirió ajuste y se trataba de unidades selladas. Un segundo programa de desarrollo paralelo en la Universidad Purdue produjo diodos de germanio . [7] Estos diodos de contacto puntual todavía se fabrican y pueden considerarse los primeros diodos modernos.
Después de la guerra, los diodos de germanio reemplazaron a los detectores de bigotes de gato de galena en las pocas radios de cristal que se fabricaban. Los diodos de germanio son más sensibles que los diodos de silicio como detectores, porque el germanio tiene una caída de tensión directa más baja que el silicio (0,4 frente a 0,7 voltios). Hoy en día todavía se fabrican algunos detectores de bigotes de gato de galena, pero sólo para réplicas de radios de cristal antiguas o dispositivos para la educación científica.
En cualquier caso, podemos ver cómo el símbolo moderno del diodo evolucionó a partir de una representación de esta disposición física, con la flecha representando el punto de contacto del bigote de gato, como se ve en la figura.
