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Semiconductores P y N, Diodos - Contenido educativo
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Explicación del proceso de dopaje de cristales de silicio y cómo la unión de un semiconductor p con uno n forma un diodo.
Os vamos a explicar cómo funcionan tanto los diodos como los transistores.
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Vuelvo aquí.
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Vamos a empezar por el diodo.
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Se supone que habéis estudiado en física los enlaces iónicos y los enlaces covalentes.
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¿Correcto?
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Bueno, pues un diodo está basado en cristales de silicio.
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El silicio es un átomo que tiene un núcleo y cuatro electrones en su última capa, cuatro electrones de valencia, cuatro electrones que son los que vamos a utilizar para hacer enlaces.
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¿Qué pasaba cuando dos átomos tenían uno de ellos un electrón extra que estaba deseando
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un taso del medio y otro le faltaba justo uno? Que como tenían tantas ganas, uno de
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soltar el electrón y otro de cogerlo, ese electrón saltaba y se iba al otro átomo
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y se convertían en dos iones y se unían, ¿verdad?
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Como uno se cargaba negativamente y el otro se quedaba con carga positiva
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porque le habíamos robado un electrón,
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uno positivo, otro negativo, ¡pum!, se juntaban.
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Y eso era el enlace iónico.
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Pero había veces que, como tienen cuatro,
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la estructura estable, ¿cuál era?
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¿Os acordáis?
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La regla del objeto.
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La estructura estable es la que hace que un átomo
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es cuando, mejor dicho, un átomo
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tiene 8 electrones
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de valencia, 8 electrones en su última capa
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¿por qué? porque el número 8 es el número mágico que hace
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que este átomo sea igual que un gas
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doble, y esto es igual que
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estable, es decir
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Es decir, un átomo, los gases nobles son el helio, el neón, son los de la última columna de la tabla periódica, los que estaban más a la derecha, ¿vale?
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Entonces, cuando un átomo tiene ocho electrones en su última capa, en la capa energética, decimos que cumple la regla del octeto, ¿vale?
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la regla
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del objeto
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y con esos ocho electrones
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en su última capa de repente es como que
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cierra la configuración
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y entonces ya ni suelta ni coge
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a eso es súper estable
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es la configuración más estable
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que se conoce
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y es la misma que la que tienen los gases nobles
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bueno, entonces
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por eso
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cuando uno tenía nueve
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o uno mejor dicho
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y otro tiene siete
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el que tiene uno lo intenta soltar para quedarse con la capa anterior que ya tiene ocho, y el que le falta uno intenta cogerlo para llegar a ocho, y por eso se hacen las que yo he dicho, pero cuando tenemos cuatro, como es el caso del silicio, es del octeto, regla del octeto, pero el silicio tiene cuatro,
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¿Qué le pasa al silicio?
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Que tiene 4
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Está ahí, que ni quiere coger
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No, porque tengo la mitad
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Y quiero soltar tampoco porque tengo la mitad
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Pero no soy estable
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Tengo ganas de tener 8
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Pero no sé si soltarlos o cogerlos
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Me da un poco igual
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¿Qué pasa con este tipo de gátomos?
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Pues este tipo de gátomos lo que ocurre es que
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comparten electrones. Entonces, si yo cojo otro átomo de silicio que esté aquí al
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lado, otro átomo de silicio que está aquí encima, otro átomo de silicio que está aquí
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a la izquierda, y otro átomo de silicio que está aquí debajo, y cojo, voy a pintarlos
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en verde. 1, 2, 3 y 4 electrones de valencia. 1, 2, 3 y 4 electrones de valencia. 1, 2,
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3 y 4 electrones de valencia. Y 1, 2, 3 y 4 electrones de valencia. Fijaros que cada
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uno de esos cuatro átomos de silicio, mirad, este sería uno, este sería otro, este sería
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otro, este sería otro, y este de aquí es el que tenía al principio, ¿vale? ¿Qué
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ocurre? Mi átomo de silicio, que inicialmente solo tenía cuatro electrones, va a compartir
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y en total como comparte un electro con cuatro
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tomos alrededor tiene cuatro electrones más compartidos que completan los 8
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estos dos electrones
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a los dos porque están compartidos compartimos electrones y esa
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compartición es la que hace que permanezcan unidos esto es lo que se llama enlace covalente
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cuando compartíamos electrones de acuerdos alguna duda hasta ahora
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No te has enterado. ¿De qué? ¿Eh? Del dibujo. ¿No te has enterado del dibujo? No. Vale.
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Vamos a hacer el mapa. Tenemos el oxígeno. El oxígeno tiene 1, 2, 3, 4, 5 y 6 electrones en su última capa, en la capa de valencia.
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¿De acuerdo? El oxígeno tiene 6 electrones en la capa de valencia. Esto es el oxígeno.
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Y ahora, en azul, voy a pintar el hidrógeno, que tiene un único electro.
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¿Sí o no?
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Bien.
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Y el oxígeno y el hidrógeno, ¿vale?
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Se van a juntar, ¿para qué?
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Para que el oxígeno consiga tener 8.
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Pero ¿cuántos hidrógenos necesito?
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Dos hidrógenos.
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¿Por qué? Porque este solo aporta 1, y el otro hidrógeno aportará 1.
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Por lo tanto, voy a hacer una molécula de oxígeno con un hidrógeno aquí, con otro hidrógeno allí.
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El oxígeno va a aportar sus seis electrones y cada uno de los hidrógenos va a aportar el suyo.
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No, no, tenemos todos los hidrógenos que tenemos en el hidrógeno.
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El oxígeno se va a juntar con dos.
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¿Vale? No hay un átomo suelto en la naturaleza.
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Si yo meto hidrógeno, meto muchos átomos de hidrógeno. Si yo meto oxígeno, meto muchos átomos de oxígeno.
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No, porque estábamos diciéndoos cómo era la estructura de los átomos.
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La estructura del átomo de oxígeno es así. La estructura del átomo de hidrógeno es así.
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¿Vale? Y entonces, para que entendáis que este es el núcleo y este es el núcleo.
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Entonces, un átomo de oxígeno se va a juntar con dos átomos de hidrógeno, cada átomo de hidrógeno va a compartir uno de sus electrones, el único que tiene, y el átomo de oxígeno consigue elevar a 8 electrones en su última cama.
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Y de esa forma conseguimos que el oxígeno tenga una estructura estable, pero necesita tener dos hidrógenos pegados.
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Y esto es lo que se conoce como agua.
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¿Vale? Ese es el agua.
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H2O. Cada átomo de oxígeno lleva pegados dos petrógenos para conseguir que en su última capa el oxígeno tenga esos ocho electrones, ¿de acuerdo?
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Pues lo mismo pasa con el silicio. El silicio lo que pasa es que en vez de tener seis, tiene cuatro. Y entonces, cuando tiene cuatro y los electrones compartidos solo puede ser uno, necesito cuatro átomos alrededor para que me aporten otros cuatro y llegar hasta ocho.
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¿Vale? Y lo mismo va a pasar con este.
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Y aquí habría otro de silicio.
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Claro, aquí habría otro de silicio
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con uno, dos,
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tres y cuatro.
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Y aquí habría otro de silicio
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con uno, dos, tres
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y cuatro.
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Y así voy creando una malla
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con átomos
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que van compartiendo
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y van teniendo
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ocho cada uno. Y creo lo que se llama
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una estructura
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¿Vale? Una estructura
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que es el silicio, y esto es
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la estructura interna
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del silicio
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¿y cada 8 que tiene es una capa?
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¿cada 8 que tiene es una capa?
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no, no, realmente, bueno, yo lo estoy pintando
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en dos dimensiones, realmente
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el átomo se coloca en forma de
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¿vale? sería tridimensional
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o sea, yo tengo el átomo de silicio aquí
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y luego en cada una de estas puntas
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¿vale? pero vamos, yo lo pinto en dos para que lo entendáis
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es lo mismo, ¿vale?
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¿entiendes? lo de compartir
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entonces, gracias a quien
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ni yo suelto, si yo lo soltaba
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me restaría uno, con lo cual me quedo con tres
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chungo, y si el otro
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me lo aporta, es el otro
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porque se queda con tres, chungo, pero si los compartimos
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yo sigo teniendo
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mi electrón y además cuento con el tuyo
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pero estamos compartiendo, pero tú cuentas con el mío
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con lo cual es como que cuentan doble
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y de esa forma conseguimos
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tener ocho, vale
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esto tendrá aquí ocho
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esto tendrá aquí ocho, vale, y así podemos medir
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hasta el infinito
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Esa es una estructura de algún tipo de silicio y eso es como se compone un cristal de silicio.
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Y esa estructura es súper estable.
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Entonces, voy a mover hacia la derecha.
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Entonces, esa estructura es súper estable. Es tan estable que si yo cojo un cristal de silicio
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y le conecto una pila, los electrones van a intentar
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bien conectable, pero cuando lleguen aquí, como estos electrones están agarrados ahí
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a muerte porque es una estructura estable, los electrones no se quieren mover de ahí
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porque ya han llegado a esta estructura estable. ¿Qué va a ocurrir? Que los electrones se
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van a quedar aquí y no van a poder pasar. Esa estructura no conduce la corriente eléctrica.
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¿Vale? El silicio es aislante. No conduce la corriente eléctrica porque es una estructura
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súper estable. ¿Qué vamos a hacer? Vamos a, entre comillas,
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a engañar a la naturaleza. Y yo voy a coger
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y le voy a sustituir a este átomo
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de silicio. Lo que voy a hacer es
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meterle un átomo
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en otro átomo,
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que es de aluminio, por ejemplo. Y el aluminio
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en vez de 4 tiene 3, perdón, en vez de 4 tiene 5, con lo cual tengo aquí estos 4 y me queda 1 por el suelto, ¿vale?
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Fijaros, en este átomo de aluminio tengo 4 electrones compartidos, he quitado un átomo de silicio, he metido un átomo de aluminio
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que en vez de tener 4 electrones en la última capa tiene 5, me queda 1 suelto, me queda 1 que sobra, ¿vale?
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y aquí voy a hacer lo mismo
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y este de aquí
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lo voy a convertir en agonidio
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y entonces tengo por aquí
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esto tenía 8 con el otro átomo
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pues aquí me queda un electrón sueldo más
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que sobra, que ya no está
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asociado a nadie
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¿vale? y entonces
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este proceso de sustituir
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algunos átomos
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dentro del cristal de silicio
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por otros que tienen
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más electrones se llama
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doping
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dopando el silicio y lo que estamos generando es que tenga electrones que están sueltos unos
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electrones que están sueltos y esos electrones sueltos cuando aquí tengo silicio que está dopado
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voy a tener una estructura
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super estable, pero además de eso
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voy a tener unos cuantos
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electrones que me sobran
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que están por ahí sueltos
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y esos electrones sueltos son los que van a
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permitir que cuando yo
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llegue por aquí con los electrones
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puedan circular y llegar a
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completar el circuito
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gracias a estos electrones
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que me sobran
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pero, si ya tienes
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una estructura hecha, ¿no?
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No, no, no, a ver, lo que estoy haciendo es forzar a este cristal a que en lugar de tener átomos de superficie, en algunos puntos, meter un átomo que no le corresponde.
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Yo, como que lo meto ahí boca al estador.
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¿Y qué consigo? Consigo que todos los átomos de alrededor sean estables, pero en mi medio hay un átomo que es un poco inestable porque tiene un electrón de más.
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este átomo es estable
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claro, no es que ocurra
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que va a llegar un momento en el que yo
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cuando empiece a meter aquí corriente eléctrica
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como tengo electrones sueltos
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pueden empezar a circular esos electrones
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un electrón va a salir por allí
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otro va a entrar por aquí
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para sustituirlo y va a empezar a correr
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y entonces consigo, gracias a estos electrones
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que yo he metido en el doping
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¿vale?
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que haya una corriente eléctrica
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con lo cual
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el cristal de silicio, que no dejaba pasar la corriente porque era súper estable
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por su estructura, cuando lo dobo
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se convierte en un conducto. ¿Vale?
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Bien, este tipo de docaje le genera
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lo que llamamos un cristal de tipo N. ¿Por qué?
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Porque los dos C son de electrones que son
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negativos. Con lo cual, aquí
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estos electrones son negativos, y a este cristal se le llama cristal de tipo N. ¿Vale? ¿Más
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o menos? ¿De momento está claro? Bien, ¿qué pasa? ¿Qué pasa? Si yo en lugar de meterle
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un átomo como el del aluminio, que tiene un electrón de más, lo que hago es que lo
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loco con un átomo que tiene, con un átomo, esto lo voy a completar con la que se vea
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estable, ¿vale? Perfecto. Lo voy a topar con un átomo que tiene un electrón de menos,
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es decir, el que de 4 que deja 3. Hago lo mismo, sustituyo átomos de silicio por otro
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pero que tiene 3. Bueno, en este caso, si yo cojo y apuesto, lo que sucede es que hago
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lo mismo que antes, pero al revés. Consigo una zona de inestabilidad donde ahora lo que
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va a tener este hueco es rellenarse. Antes me sobraban electrones y ahora lo que va a
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tener es, ese hueco va a estar esperando a ver si viene un electro para rellenarse. ¿Veis?
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Tengo un hueco, esto sería un hueco, y esto sería otro hueco, y tengo una serie de huecos
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que están deseando rellenarse
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como he quitado
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electrones, ¿cómo se llamaría
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este cristal?
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se llama cristal de tipo P
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¿por qué?
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porque los núcleos siguen teniendo
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las mismas cargas positivas
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como he quitado electrones, la carga total es positiva
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¿vale? quito electrones
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entonces, podemos tener
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un dopaje de tipo N
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cuando meto
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átomos que tienen más electrones
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Y tenemos un dopaje tipo P cuando meto átomos que tienen menos electrones.
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¿El efecto cuál es? Pues que ahora tengo aquí unos agujeritos
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y los electrones que vienen aquí empujando van a ir a rellenar esos agujeros.
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Y el que rellena el primer agujero luego va a saltar el segundo y luego va a pasar al tercero.
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Y luego va a salir por aquí porque por aquí estoy como intentando con la aspiradora absorber electrones
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sobre electrones, porque tiene el polo correspondiente a la mira. Pero como aquí siguen llegando,
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pues los átomos van a ir saltando de la mujer a la mujer, con lo cual también consigo corriente
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eléctrica. ¿Vale? Pero, en este caso, lo que va a ocurrir es que yo voy a ver la corriente
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eléctrica como si fuera en la dirección contraria. ¿Por qué? Porque antes tenía
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electrones que se iban hacia la parte negativa, y ahora lo que voy a ver son que los huecos
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se van hacia la parte positiva, porque se están rellenando de la parte negativa. ¿Vale?
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Bueno, por tanto, tenemos cristales de tipo B, cristales de tipo C. Y en ambos casos lo
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que hemos hecho es un doping. Lo que hemos hecho ha sido coger el cristal superestable,
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quitarle átomos y ponerle átomos que le sobran electrones o le pasan electrones. ¿Vale?
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Vale, voy a borrarlo. ¿Eso lo tenéis? Pues lo he visto. Si no, el tío de la casa se lo explica perfectamente en el vídeo.
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Luego lo pongo rápidamente. Bueno, entonces, esto es la estructura interna que tiene un cristal de silicio
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y como nosotros artificialmente vamos a dotarlo, vamos a conseguir que el silicio cambie su comportamiento
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gracias a meter en él unas impurezas. Bueno, ahora imaginamos que en lugar de tener, como
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tenía antes escrito allí, un cristal de silicio del mismo tipo, voy a unir dos, uno
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del tipo P y otro del tipo D. Los pongo juntos, ¿vale? ¿Qué va a ocurrir? Lo pongo aquí
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Fijaros, aquí tengo electrones, estos son electrones que me sobran, los voy a poner
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en color azul, ¿vale? El azul son los electrones que me sobran en este cristal que es el de
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tipo N. Por lo tanto, como he hecho un doping en donde me sobran electrones, tengo ahí
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algunos electrones sueltos
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que me sobran.
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¿Vale? ¿Lo veis?
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Esto es un cristal dopado
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de tipo...
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Y ahora, en este lado,
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me trae un cristal dopado de tipo P, con lo cual
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¿qué es lo que tiene? Huecos.
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Tiene electrones de menos.
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Por lo tanto, voy a pintar aquí
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los huecos. Estos son huecos.
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Es donde me falta
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un electrón, ¿vale? ¿De acuerdo?
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¿Sí o no?
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Vale.
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Ahora viene aquí el punto quizá más importante para que entendáis por qué funcionan los diodos y los transistores.
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Fijaros, ¿qué pasa justo aquí en el punto de contacto?
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Voy a ponerlo más exagerado para que veáis lo que pasa.
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Lo que va a ocurrir en este punto de contacto es que aquí me sobran electrones y aquí me faltan electrones, ¿no?
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¿Qué va a ocurrir? Que estos que están aquí cerquita van a saltar y van a rellenar los huecos.
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Y van a crear aquí en el medio una zona que vamos a llamar zona de agotamiento.
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Esta zona de agotamiento es una zona estable, porque donde me sobran electrones ya no hay,
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y donde me sobran electrones están los electrones equilibrados.
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¿De acuerdo? Por lo tanto, esta zona de agotamiento, esta zona de agotamiento, la tengo ahí en medio y es esta.
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Si no existiera esta zona de agotamiento, ¿qué ocurre cuando yo cojo un cristal de estos y le pongo una pila?
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¿Qué?
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Tiene que haber una cosa de...
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¿Qué me dice?
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Sin claro.
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Aquí tenemos electrones de sobra, pero estos electrones que me sobran salen en el medio.
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Este lo que va a ocurrir es que se va a venir aquí. Se va directamente. Se va allá. Se alejará.
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Entonces, en la zona de agotamiento va a haber una zona en la que las dos o tres primeras filas de átomos van a saltar,
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pero en cuanto te alejo ya no están sucias de mente cerca y ya no saltan. Por lo tanto, solamente esta zona aquí a la derecha.
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Ahora vamos a ver qué pasa aquí. Yo aquí tengo un cristal N con átomos que les sobra un electrón y tengo un polo P con huecos que están deseando coger electrones.
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pero quiero que entendáis antes un comportamiento
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que pasa cuando yo tengo esta configuración
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y pongo el polo positivo al P
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que pasa por el polo positivo
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es por donde salen los electrones
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no, no, cuidado
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claro, voy a poner la pila aquí
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voy a dejar aquí esto y voy a poner la pila
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la pila por donde salen los electrones
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de la fila si yo lo conozco
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lo que va a ocurrir es que sus electrones van a rellenar los huecos van
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a intentar un cristal que conduce van a pasar van a pasar aquí va a soltar el
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electrón va a llegar al negativo y el negativo va a saltar va a saltar y va a
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a conducir la corriente. Pero fijaros, ¿qué pasa cuando yo le pongo la pila en la otra
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dirección? ¿Qué pasa si yo le pongo la pila orientada de forma que los electrones
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vayan para acá? Lo que va a ocurrir es, bueno, en ese caso, cuando yo lo hago de esa forma,
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como yo estoy empujando electrones por aquí, ¿vale? La zona de agotamiento, lo que va
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ocurrir es que se va a hacer más pequeña, porque voy a empezar a empujar electrones
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desde este lado, ¿vale? Y los electrones van a intentar saltar hacia allá y esta zona
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de agotamiento se va a convertir en una zona de agotamiento estrechita y va a dejar pasar
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la corriente. Pero cuando lo hago de este lado, lo que hago es meter más electrones
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aquí, consigo que aquí pasen más electrones y lo que estoy haciendo es que la zona de
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agotamiento la estoy convirtiendo en una zona de agotamiento más ancha. Y como esto
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es estable, al final los electrones que yo meto aquí están haciendo que esto sea cada
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vez más gordo y lo que hago es que cada vez tengo más problemas para pasar la corriente.
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Con lo cual no pasa, no consigo pasar la corriente. ¿Vale? Entonces, si yo lo polarizo directamente
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en polarización directa, en polarización directa, lo que ocurre, que es cuando teníamos
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lo que ocurre es que consigo que los electrones pasen, porque la zona de agotamiento la hago mas pequeña
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pero en polarización inversa, la pila al revés, los grados que estoy metiendo electrones, esta zona de agotamiento se hace ancha
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Y ahí lo que ocurre es que no pasa la corriente. ¿Qué pasa? Que he construido un diodo. ¿Os acordáis del diodo? Pues el diodo era un aparato electrónico y cuando estudiamos en la primera parte, en la parte de electromecánica, los diodos, yo os expliqué que el diodo era un...
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Si venía la intensidad de la corriente en la dirección de la flecha, sí que podía pasar la corriente, pero si venía en dirección contraria, se bloqueaba.
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Un diodo es un cristal semiconductor P junto con un cristal semiconductor.
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- Autor/es:
- JUAN RAMÓN GARCÍA MONTES
- Subido por:
- Juan Ramã‼N G.
- Licencia:
- Reconocimiento - No comercial - Sin obra derivada
- Visualizaciones:
- 101
- Fecha:
- 27 de enero de 2021 - 11:18
- Visibilidad:
- Público
- Centro:
- IES ANTONIO GAUDI
- Duración:
- 28′ 50″
- Relación de aspecto:
- 4:3 Hasta 2009 fue el estándar utilizado en la televisión PAL; muchas pantallas de ordenador y televisores usan este estándar, erróneamente llamado cuadrado, cuando en la realidad es rectangular o wide.
- Resolución:
- 1020x768 píxeles
- Tamaño:
- 170.48 MBytes