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 empleaba 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 alambre fino 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 de microondas . [7] [8] Bose patentó por primera vez un detector de cristal en 1901. [9] El detector de cristal fue desarrollado como un componente de radio práctico principalmente por GW Pickard , [4] [10] [11] quien descubrió la rectificación de cristales en 1902 y encontró cientos de sustancias cristalinas que podrían usarse para formar uniones rectificadoras. [2] [12] Los principios físicos por los que funcionaban no se entendían en el momento en que se usaron, [13] pero la investigación posterior sobre estas uniones semiconductoras de contacto puntual primitivas en los años 1930 y 1940 condujo al desarrollo de la electrónica de semiconductores moderna . [1] [4] [14] [15]
Los receptores de radio no amplificados que usaban detectores de cristal se denominan radios de cristal . [16] La radio de cristal fue el primer tipo de receptor de radio que fue 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 los 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 rudimentario , 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 , que pasaba la corriente oscilante inducida en la antena desde la estación 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 llama detector de envolvente. La corriente de audiofrecuencia producida por el detector pasaba a través del auricular haciendo que el diafragma del auricular vibrara, empujando el aire para crear ondas de sonido .
Las radios de cristal no tenían componentes amplificadores para aumentar la intensidad de la señal de radio; la potencia sonora producida por el auricular provenía únicamente de las ondas de radio de la estación de radio que se estaba recibiendo, interceptadas por la antena. Por lo tanto, la sensibilidad del detector era un factor importante que determinaba 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 CC del detector se registraba mediante un galvanómetro sensible , y en instrumentos de prueba como los medidores de ondas utilizados para calibrar la frecuencia de los transmisores de radio . [18]
El detector de cristal 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 por ensayo y error. La construcción del detector dependía del tipo de cristal utilizado, ya que se encontró que los diferentes minerales variaban en la cantidad de área de contacto y presión sobre la superficie del cristal que se necesitaba para hacer un contacto rectificador sensible. [2] [19] Los cristales que requerían una presión ligera como la galena se usaban con el contacto de bigotes de gato de alambre; el silicio se usaba con un punto de contacto más pesado, mientras que el carburo de silicio ( carborundo ) podía tolerar la presión más pesada. [2] [19] [20] Otro tipo usaba dos cristales de diferentes minerales con sus superficies en contacto, siendo el más común el detector "Perikon". Dado que el detector solo 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 presentan 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 cristal, utilizado principalmente con galena [21] [22] 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 alambre o aguja de metal fino (el "bigote de gato"). [2] [4] [20] [23] El contacto entre la punta del alambre y la superficie del cristal formaba una unión metal-semiconductor de contacto puntual inestable rudimentaria , formando un diodo de barrera Schottky . [4] [24] El bigote de alambre es el ánodo y el cristal es el cátodo ; la corriente puede fluir desde el alambre hacia el cristal pero no en la otra dirección.
Solo ciertos sitios en la superficie del cristal funcionaban como uniones rectificadoras. [4] [19] El dispositivo era muy sensible a la geometría exacta y la presión de contacto entre el cable y el cristal, y el contacto podía interrumpirse con la más mínima vibración. [4] [6] [13] Por lo tanto, se debía encontrar un punto de contacto utilizable mediante prueba y error antes de cada uso. [4] El cable estaba suspendido de un brazo móvil y el usuario lo arrastraba por la cara del cristal hasta que el dispositivo comenzaba a funcionar. [19] En una radio de cristal, el usuario sintonizaba la radio en una estación local fuerte si era posible y luego ajustaba el bigote de gato hasta que se escuchara la estación o el ruido de la radio (un silbido estático) en los auriculares de la radio. [25] Esto requería cierta habilidad y mucha paciencia. [6] Un método alternativo de ajuste era utilizar un zumbador electromecánico a batería conectado al cable de tierra de la radio o acoplado inductivamente a la bobina de sintonización, para generar una señal de prueba. [25] [26] La chispa producida por los contactos del zumbador funcionaba como un débil transmisor de radio cuyas ondas de radio podían ser recibidas por el detector, por lo que cuando se encontraba un punto rectificador en el cristal el zumbido podía oírse en los auriculares, momento en el que el zumbador se apagaba.
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", un trozo elástico de alambre metálico fino, que formaba el lado metálico de la unión.
Inventado en 1906 por Henry HC Dunwoody , [31] [32] consistía en una pieza de carburo de silicio (SiC, entonces conocido con el nombre comercial de carborundo ), ya sea sujetada entre dos contactos metálicos planos, [4] [19] [23] o montada en aleación fusible en una copa de metal con un contacto que consistía en una punta de acero endurecido presionada firmemente contra ella con un resorte. [33] El carborundo, un producto artificial de los hornos eléctricos producidos en 1893, requería una presión más pesada que el contacto de bigotes de gato. [2] [4] [19] [33] El detector de carborundo era popular [21] [33] porque su contacto resistente no requería reajuste cada vez que se usaba, como los delicados dispositivos de bigotes de gato. [2] [19] [23] Algunos detectores de carborundo se ajustaban en la fábrica y luego se sellaban y no requerían ajuste por parte del usuario. [2] No era sensible a las vibraciones, por lo que se utilizaba en estaciones inalámbricas a bordo de barcos donde el barco era sacudido por las olas, y en estaciones militares donde se podía esperar vibración por disparos. [4] [19] Otra ventaja era que toleraba corrientes altas y no podía "quemarse" por la electricidad atmosférica de la antena. [2] Por lo tanto, era el tipo más común utilizado en estaciones de radiotelegrafía comerciales. [33]
El carburo de silicio es un semiconductor con una banda prohibida amplia de 3 eV, por lo que para hacer que el detector fuera más sensible, generalmente se aplicaba un voltaje de polarización directa de varios voltios a través de la unión mediante una batería y un potenciómetro . [19] [23] [33] [32] El voltaje se ajustaba con el potenciómetro hasta que el sonido fuera más fuerte en el auricular. La polarización movía el punto de operación a la "codo" curva de la curva corriente-voltaje del dispositivo , que producía la corriente rectificada más grande. [19]
Patentado y fabricado por primera vez en 1906 por Pickard, [10] [32] este fue el primer tipo de detector de cristal que se produjo comercialmente. [11] El silicio requería más presión que el contacto de bigotes de gato, aunque no tanta como el carborundo. [19] 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. [23] [34] La superficie del silicio generalmente se molía y pulía. El silicio también se usaba con contactos de antimonio [19] y arsénico [27] . El detector de silicio era popular porque tenía las mismas ventajas que el carborundo; su contacto firme no se podía aflojar por vibración y no requería una batería de polarización, por lo que se usó ampliamente en estaciones de radiotelegrafía comerciales y militares. [19]
Otra categoría eran los detectores que utilizaban dos cristales diferentes con sus superficies en contacto, formando un contacto cristal a cristal. [4] [23] El detector "Perikon", inventado en 1908 por Pickard [35] era el más común. Perikon significaba " PER fect p I c K ard c ON tact" (PER fecto p I c K ard c ON tacto). [4] Consistía en dos cristales en soportes metálicos, montados cara a cara. 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 ). [19] [23] 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 en un brazo ajustable frente a ella (a la izquierda) . El cristal de calcopirita se movió hacia adelante hasta que tocó la superficie de uno de los cristales de zincita. Cuando se localizaba un punto sensible, el brazo se fijaba en su lugar con el tornillo de fijación. Se proporcionaron varias piezas de cincita porque el frágil cristal de cincita podía dañarse con corrientes excesivas y tendía a "quemarse" debido a la electricidad atmosférica de la antena de cable o las corrientes que se filtraban al receptor desde los potentes transmisores de chispa utilizados en ese momento. Este detector también se utilizaba a veces con un pequeño voltaje de polarización directa de alrededor de 0,2 V de una batería para hacerlo más sensible. [19] [33]
Aunque el detector de cristal a cristal más utilizado fue el "Perikon" de calcopirita-cincnita, también se utilizaron otros pares de cristales. La cincita se utilizó con carbono, galena y telurio . El silicio se utilizó con arsénico [27] , antimonio [19] y cristales de telurio .
Durante las tres primeras décadas de la radio, de 1888 a 1918, llamada la era de la telegrafía inalámbrica o "de chispa", se utilizaron transmisores de radio primitivos llamados transmisores de chispa , que generaban ondas de radio mediante una chispa eléctrica . [16] [38] Estos transmisores no podían producir las ondas sinusoidales continuas que se utilizan para transmitir audio (sonido) en la transmisión de radio AM o FM moderna. [39] En cambio, los transmisores de chispa transmitían información mediante telegrafía inalámbrica ; el usuario encendía y apagaba el transmisor rápidamente 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 era no tenían que demodular la onda de radio, extraer una señal de audio de ella como lo hacen los receptores modernos, simplemente tenían que detectar la presencia o ausencia de las ondas de radio, para emitir un sonido en el auricular cuando la onda de radio estaba presente para representar los "puntos" y "rayas" 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 era.
El detector de cristal evolucionó a partir de un dispositivo anterior, [40] el primer detector de ondas de radio primitivo, llamado coherer , desarrollado en 1890 por Édouard Branly y utilizado en los primeros receptores de radio en 1894-96 por Marconi y Oliver Lodge . [4] [38] Fabricado en muchas formas, el coherer consistía en un contacto eléctrico de alta resistencia, compuesto de conductores en contacto con una fina película superficial resistiva, normalmente de oxidación, entre ellos. [38] Las ondas de radio cambiaban la resistencia del contacto, haciendo que condujera una corriente continua. La forma más común consistía en un tubo de vidrio con electrodos en cada extremo, que contenían limaduras metálicas 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 los megaohmios. Cuando se aplicaba una onda de radio desde la antena a través de los electrodos, hacía que las limaduras se "cohesionaran" o se agruparan y la resistencia del cohesor caía, lo que hacía que pasara a través de él una corriente continua procedente de una batería, que hacía sonar una campana o producía una marca en una cinta de papel que representaba los "puntos" y "rayas" del código Morse. La mayoría de los cohesores tenían que recibir golpes mecánicos entre cada pulso de ondas de radio para que volvieran a un estado no conductor. [16] [38]
El cohesor era un detector muy pobre, lo que motivó muchas investigaciones para encontrar mejores detectores. [4] Funcionaba mediante efectos complicados de superficie 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 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 los detectores de cristal. [40]
La "conducción unilateral" de los cristales fue descubierta por Karl Ferdinand Braun , un físico alemán, en 1874 en la Universidad de Würzburg . [7] [41] Estudió la pirita de cobre (Cu 5 FeS 4 ), la pirita de hierro (sulfuro de hierro, FeS 2 ), la galena (PbS) y el sulfuro de cobre y antimonio (Cu 3 SbS 4 ). [42]
Esto fue antes de que se descubrieran las ondas de radio, y Braun no aplicó estos dispositivos de manera práctica, pero estaba interesado en la característica no lineal de corriente-voltaje 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 de alambre, 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, en lugar de una línea recta, mostrando 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 de otros experimentos con psilomelano ( Ba,H
2O)
2Minnesota
5Oh
10Braun realizó investigaciones que descartaron varias causas posibles de conducción asimétrica, como la acción electrolítica y algunos tipos de efectos termoeléctricos . [42]
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 de óptica de microondas de 60 GHz de 1894 a 1900. [43] [44] Al igual que otros científicos desde Hertz, Bose estaba investigando la similitud entre las ondas de radio y la luz duplicando los experimentos de óptica clásica con ondas de radio. [45] Para un receptor utilizó primero un coherer que consistía en un resorte de acero que presionaba contra una superficie metálica con una corriente que pasaba a través de él. Insatisfecho con este detector, alrededor de 1897 Bose midió el cambio en la resistividad de docenas de metales y compuestos metálicos expuestos a microondas. [44] [46] 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 de metal 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. [44] Bose pasó una corriente desde una batería a través del cristal y usó un galvanómetro para medirla. Cuando las microondas golpeaban el cristal, el galvanómetro registraba una caída en la resistencia del detector. En ese momento, los científicos pensaban que los detectores de ondas de radio funcionaban por algún mecanismo análogo a la forma en que el ojo detectaba 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 sobre 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 la American Wireless Telephone and Telegraph Co. inventó el detector de contacto rectificador, [47] [48] descubriendo la rectificación de las ondas de radio en 1902 mientras experimentaba con un detector de cohesión que consistía en una aguja de acero apoyada sobre dos bloques de carbono. [11] [12] [48] El 29 de mayo de 1902 estaba operando este dispositivo, escuchando una estación de radiotelegrafía. Los cohesiones requerían una fuente de corriente externa para funcionar, por lo que hizo que el cohesión y el auricular del teléfono estuvieran conectados en serie con una batería de 3 celdas para proporcionar energía para operar el auricular. Molesto por el ruido de fondo "frito" causado por la corriente a través del carbono, extendió la mano para cortar dos de las celdas de la batería del circuito para reducir la corriente [11] [12]
El ruido cesó y las señales, aunque muy debilitadas, se volvieron materialmente más claras al liberarse de su fondo de ruido microfónico. Al echar un vistazo a mi circuito, descubrí con gran sorpresa que, en lugar de cortar dos de las celdas, había cortado las tres; por lo tanto, el diafragma del teléfono estaba siendo operado únicamente por la energía de las señales del receptor. Un detector de contacto que funcionara sin batería local parecía tan contrario a toda mi experiencia previa 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 estaba actuando como un rectificador. Durante los siguientes cuatro años, Pickard realizó 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 sintetizado recientemente 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; Los más populares fueron el detector de pirita de hierro "Pyron" y el detector de cristal a cristal de calcopirita - zinc "Perikon" en 1908, [35] que significaba " PER fect pic K ard c ON tact" ( tacto perfecto) . [4]
Guglielmo Marconi desarrolló los primeros transmisores y receptores prácticos de telegrafía inalámbrica en 1896, y la radio comenzó a usarse para la comunicación alrededor de 1899. El coherer se utilizó como detector durante los primeros 10 años, hasta alrededor de 1906. [17] Durante la era de la telegrafía inalámbrica anterior a 1920, prácticamente no había transmisión ; la radio servía como un servicio de mensajería de texto punto a punto. Hasta que se comenzó a utilizar el tubo de vacío de triodo alrededor de la Primera Guerra Mundial , los receptores de radio no tenían amplificación y se alimentaban solo de las ondas de radio captadas por sus antenas. [11] La comunicación por radio de larga distancia dependía de transmisores de alta potencia (hasta 1 MW), enormes antenas de cable y un receptor con un detector sensible. [11]
Los detectores de cristal 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 , [49] un general retirado del Cuerpo de Señales del Ejército de los EE. UU., patentó el detector de carburo de silicio ( carborundo ), [31] [32] Braun patentó un detector de bigotes de gato de galena en Alemania, [50] y LW Austin inventó un detector de silicio-telurio.
Alrededor de 1907, los detectores de cristal reemplazaron al detector de cohesión y electrolítico para convertirse en la forma más utilizada de detector de radio. [17] [51] Hasta que comenzó a usarse el tubo de vacío de triodo 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. [52] En las estaciones de radiotelegrafía transoceánicas se usaban receptores de cristal acoplados inductivamente elaborados alimentados por antenas de alambre de una milla de longitud para recibir tráfico de telegramas transatlánticos. [53] Se invirtió mucha investigación en encontrar mejores detectores y se probaron muchos tipos de cristales. [28] El objetivo de los investigadores era encontrar cristales rectificadores que fueran menos frágiles y sensibles a la vibración que la galena y la pirita. Otra propiedad deseada era la tolerancia a altas corrientes; muchos cristales se volverían insensibles cuando se sometieran a descargas de electricidad atmosférica de la antena de alambre exterior, o corriente del potente transmisor de chispa que se filtrara al receptor. El carborundo resultó ser el mejor de estos; [33] Podría rectificarse si se sujetaba firmemente entre contactos planos. Por lo tanto, los detectores de carborundo se usaban en estaciones inalámbricas a bordo donde las ondas hacían que el piso se balanceara y en estaciones militares donde se esperaban disparos. [4] [19]
Entre 1907 y 1909, George Washington Pierce, de Harvard, realizó una investigación sobre el funcionamiento de los detectores de cristal. [11] [42] Utilizando un osciloscopio fabricado con el nuevo tubo de rayos catódicos de Braun , produjo las primeras imágenes de las formas de onda de un detector en funcionamiento, demostrando que rectificaba las ondas de radio. Durante esta época, antes de la física moderna del estado sólido , la mayoría de los científicos creían que los detectores de cristal funcionaban mediante algún efecto termoeléctrico . [32] Aunque Pierce no descubrió el mecanismo por el que funcionaba, sí demostró que las teorías existentes estaban equivocadas; sus formas de onda del osciloscopio demostraron que no había retraso de fase entre el voltaje y la corriente en el detector, descartando los mecanismos térmicos. Pierce originó el nombre de rectificador de cristal .
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 Alexanderson . Estos reemplazaron lentamente a los viejos transmisores de chispa de onda amortiguada . Además de tener un rango de transmisión más largo, estos transmisores podían modularse con una señal de audio para transmitir sonido por modulación de amplitud (AM). Se descubrió que, a diferencia del coherer, 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 AM, los cristales eran el detector AM más simple y económico. [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 oyentes de radio construyó o compró radios de cristal para escucharlas. [16] [54] Su uso continuó creciendo hasta la década de 1920, cuando las radios de tubo de vacío las reemplazaron. [16] [54]
Algunos diodos semiconductores tienen una propiedad llamada resistencia negativa , lo que significa que la corriente a través de ellos 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 un 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 [55] [56] y Pickard. [12] [57] Notaron que cuando sus detectores estaban polarizados con un voltaje de CC para mejorar su sensibilidad, a veces estallaban en oscilaciones espontáneas. [57] Sin embargo, estos investigadores solo publicaron breves relatos y no investigaron el efecto.
La primera persona en explotar la resistencia negativa de manera práctica fue el físico ruso autodidacta Oleg Losev , quien dedicó su carrera al estudio de los detectores de cristal. En 1922, trabajando en el nuevo Laboratorio de Radio de Nizhny Novgorod , descubrió la resistencia negativa en las uniones de contacto puntual de zincita ( óxido de zinc ) polarizadas. [57] [58] [59] [60] [61] Se dio cuenta de que los cristales amplificadores podrían ser una alternativa al tubo de vacío frágil, costoso y desperdiciador de energía. Utilizó uniones de cristal de resistencia negativa polarizadas para construir amplificadores de estado sólido , osciladores y receptores de radio amplificadores y regenerativos , 25 años antes de la invención del transistor. [55] [59] [61] [62] Más tarde incluso construyó un receptor superheterodino . [61] Sin embargo, sus logros fueron pasados por alto debido al éxito de los tubos de vacío. Su tecnología fue bautizada como "Crystodyne" por el editor científico Hugo Gernsback [62], una de las pocas personas en Occidente que le prestó atención. Después de diez años abandonó la investigación sobre esta tecnología y ésta cayó en el olvido. [61]
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 los radares de velocidad y los abridores de puertas de garaje .
En 1907, el ingeniero británico de Marconi, Henry Joseph Round, se dio cuenta de que cuando pasaba corriente continua a través de una unión de contacto de carburo de silicio (carborundo), se emitía un punto de luz verdosa, azulada o amarillenta en el punto de contacto. [63] Round había construido un diodo emisor de luz (LED), pero se limitó a publicar una breve nota de dos párrafos al respecto y no realizó ninguna investigación adicional. [64]
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 cincita emitían luz. [63] Losev fue el primero en analizar este dispositivo, investigar la fuente de la luz, proponer una teoría de cómo funcionaba y prever aplicaciones prácticas. [63] Publicó sus experimentos en 1927 en una revista rusa, [65] y los 16 artículos que publicó sobre LED entre 1924 y 1930 constituyen un estudio exhaustivo de este dispositivo. Losev realizó una amplia investigación sobre el mecanismo de emisión de luz. [61] [63] [66] 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. [61] [66] Teorizó correctamente que la explicación de la emisión de luz estaba en la nueva ciencia de la mecánica cuántica , [61] especulando que era el inverso del efecto fotoeléctrico descubierto por Albert Einstein en 1905. [63] [67] Escribió a Einstein al respecto, pero no recibió respuesta. [63] [67] Losev diseñó luces electroluminiscentes de carborundo prácticas, pero no encontró a nadie interesado en producir comercialmente estas débiles fuentes de luz.
Losev murió en la Segunda Guerra Mundial. Debido en parte a 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 cursar estudios universitarios o ascender profesionalmente en la sociedad soviética , por lo que nunca ocupó un cargo oficial superior al de técnico), su obra no es muy conocida en Occidente. [63]
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. [68] 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 escucha de las nuevas estaciones de transmisión probablemente fue en gran parte propietaria de radios de cristal. [16] Pero al carecer de amplificación, las radios de cristal tenían que escucharse con auriculares y solo podían recibir estaciones locales cercanas. Las radios de tubo de vacío amplificador que comenzaron a producirse en masa en 1921 tenían un mayor rango de recepción, no requerían el ajuste minucioso de un bigote de gato y producían suficiente potencia de salida de audio para hacer funcionar los altavoces , lo que permitía a toda la familia escuchar cómodamente junta o bailar música de la Era del Jazz. [16]
Así, durante la década de 1920, los receptores de tubos de vacío reemplazaron a las radios de cristal en todos los hogares, excepto en los pobres. [7] [16] [69] Las estaciones de telegrafía inalámbrica comerciales y militares ya habían cambiado a receptores de tubos de vacío más sensibles. Los tubos de vacío pusieron fin al desarrollo del detector de cristal. La acción temperamental y poco fiable del detector de cristal siempre había sido una barrera para su aceptación como un componente estándar en los equipos de radio comerciales [1] y fue una de las razones de su rápida sustitución. Frederick Seitz, uno de los primeros investigadores de semiconductores, escribió: [13]
Esta variabilidad, que rayaba en lo místico, afectó la historia temprana de los detectores de cristal y provocó que muchos de los expertos en tubos de vacío de una generación posterior consideraran que el arte de la rectificación de cristales era casi desacreditable.
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, pobres y personas en países en desarrollo. [54] La construcción de un equipo de cristal siguió siendo un proyecto educativo popular para introducir a la gente a 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 este momento. [21] [22] La unión de carborundo tuvo algún uso como detector en las primeras radios de tubo de vacío porque era más sensible que el detector de fugas de rejilla de triodo . Las radios de cristal se mantuvieron como radios de respaldo de emergencia en los barcos. Durante la Segunda Guerra Mundial en la Europa ocupada por los nazis, la radio se utilizó como una radio clandestina de fácil construcción y fácil ocultación por grupos de la Resistencia. [54] Después de la Segunda Guerra Mundial, el desarrollo de los diodos semiconductores modernos finalmente hizo obsoleto el detector de bigotes de gato de galena. [54]
Los dispositivos semiconductores como el detector de cristal funcionan según principios mecánicos cuánticos ; 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. [70] La palabra alemana halbleiter , traducida al inglés como " semiconductor ", se utilizó por primera vez en 1911 para describir sustancias cuya conductividad se encontraba entre conductores y aislantes , como los cristales en los detectores de cristal. [71] 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. [71] En 1931, Alan Wilson creó la teoría de bandas cuánticas que explica la conductividad eléctrica de los sólidos. [70] [71] 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 agujeros conducen la corriente en los semiconductores.
Un gran avance se produjo cuando se comprendió que la acción rectificadora de los semiconductores cristalinos no se debía únicamente al cristal, sino a la presencia de átomos de impurezas en la red cristalina. [72] 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). [70] La actividad enloquecedoramente variable de diferentes piezas de cristal cuando se utilizaban en un detector, y la presencia de "sitios activos" en la superficie, se debía a variaciones naturales en la concentración de estas impurezas en todo el cristal. El premio Nobel Walter Brattain , coinventor del transistor, señaló: [72]
En aquella época, se podía coger un trozo de silicio... ponerlo sobre un punto con la punta de un bigote de gato y se activaba y rectificaba muy bien en una dirección. Si lo movías un poco, quizá una fracción, una milésima de pulgada, podías encontrar otro punto activo, pero en ese caso rectificaba en la otra dirección.
Los productos químicos de "pureza metalúrgica" utilizados por los científicos para fabricar cristales detectores experimentales sintéticos tenían alrededor de un 1% de impurezas que eran responsables de estos resultados inconsistentes. [72] Durante la década de 1930, se desarrollaron progresivamente mejores métodos de refinación, [7] lo que permitió a los científicos crear cristales semiconductores ultrapuros en los que introdujeron cantidades controladas con precisión de oligoelementos (lo que se denomina dopaje ). [72] Esto creó por primera vez uniones de semiconductores con características confiables y repetibles, lo que permitió a los científicos probar sus teorías y, más tarde, 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 en 1938 de forma independiente por Walter Schottky [73] en el laboratorio de investigación Siemens & Halske en Alemania y Nevill Mott [74] en la Universidad de Bristol , Reino Unido. [70] [71] [72] Mott recibió el Premio Nobel de Física en 1977. En 1949 en Bell Labs William Shockley derivó la ecuación del diodo Shockley que da la curva exponencial no lineal de corriente-voltaje de un detector de cristal, observada por científicos desde Braun y Bose, que es responsable de la rectificación. [70]
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] [48] [72] Los receptores de radar de microondas requerían un dispositivo no lineal que pudiera actuar como mezclador , para mezclar la señal de microondas entrante con una señal de oscilador local , para desplazar la señal de microondas a una frecuencia intermedia (FI) más baja en la que pudiera amplificarse. [72] Los tubos de vacío utilizados como mezcladores a frecuencias más bajas en receptores superheterodinos no podían funcionar a frecuencias de microondas debido a la capacitancia excesiva. A mediados de la década de 1930, George Southworth en Bell Labs , trabajando en este problema, compró un viejo detector de bigotes de gato y descubrió que funcionaba a frecuencias de microondas. [7] [72] 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] Hacia 1942, se empezaron a producir en masa detectores de cristal de silicio de contacto puntual para receptores de radar, como el 1N21 y el 1N23, que consistían en una lámina de cristal de silicio dopado con boro con una punta de alambre de tungsteno presionada firmemente contra ella. El contacto de bigote de gato no requería ajuste y se trataba de unidades selladas. Un segundo programa de desarrollo paralelo en la Universidad de 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 fabricaron. Los diodos de germanio son más sensibles que los diodos de silicio como detectores, porque el germanio tiene una caída de tensión directa menor 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 solo para réplicas antiguas de radios de cristal o dispositivos para la enseñanza de las ciencias.
Introducido en 1946 por Sylvania, el diodo 1N34 (seguido más tarde por el 1N34A) se convirtió en uno de los diodos detectores de cristal más utilizados. El IN34, económico y de gran capacidad, también podía utilizarse como diodo de uso general. [75]
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 en forma de bigotes de gato, como se ve en la figura.
