einstein y el ccd - upc universitat politècnica de catalunya

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FUNDAMENTOS

ELECTRICIDAD Y LUZ: UNA NUEVA RELACIÓNEinstein no ganó el premio Nobelde física en el año 1921 por lateoría de la relatividad, sino porla explicación de un experimentoque tendría muchas implicacio-nes tecnológicas: el efecto foto-eléctrico.

Recordemos brevemente queantes del "annus mirabilis" (añomaravilloso) de Einstein (1905),la luz se entendía exclusivamen-te como una onda electromag-nética en la que un campo mag-nético y uno eléctrico oscilabancon una frecuencia que determi-naba su color. Pues bien, nume-rosos experimentos de la épocademostraban que al iluminar unmetal con luz, de éste se des-prendían electrones. Pero extra-ñamente su velocidad no crecía al aumen-tar la intensidad de la luz. Peor aún, al ilu-minar una placa de metal con diversoscolores, a partir de una frecuencia (de uncolor) no había manera de arrancar elec-trones de la placa por muy fuerte que fuerala intesidad de luz, y para complicar unpoco más las cosas, este color variabaentre diversos materiales.

Si la luz fuera una "simple" onda, cabríaesperar que los electrones fueran ganandoenergía hasta poder ser arrancados delmetal, como sucede en un acantilado en elque cada ola va desgastando la piedra,hasta que cae toda la pared formando unnuevo acantilado. Esto sucedería indepen-dientemente del color de la luz, es decir,de la frecuencia, o en el ejemplo de lasolas, de la distancia entre crestas, y seríamás fácil arrancar electrones cuantomayor fuera la intensidad, es decir, la altu-ra de las olas... pero no es así.

La solución a este problema es un"paso atrás" conceptual: ¿qué sucedería si

EINSTEIN Y EL CCDUn semiconductor se basa en el efecto fotoeléctrico

La cámara con dispositivo CCD (Charge Coupled Device) es un ejemplo de cómo la ciencia llamada

básica, es decir sin niguna aplicación inmediata, abre la puerta al desarrollo de aparatos imposibles

ni tan siquiera de imaginar.

la luz fuesen partículas con una energíaproporcional a su color (a su frecuencia)?Imaginemos por un lado la luz como unflujo de pequeños cuerpos, que llamare-mos fotones, y un átomo como un elec-trón ligado al núcleo por una fuerza eléc-trica. En este caso, si queremos arrancarun electrón del átomo, debemos utilizarun fotón con una determinada energía(color). Si no llegamos a este mínimo, yapodemos lanzar tantas partículas comoqueramos (es decir, aumentar la intesidaddel haz de luz), que no arrancaremos ni unsolo electrón. ¿Es por tanto la luz un flujode partículas o una onda? Como vimos enun artículo anterior, la luz es una entidadque se puede entender como flujo de par-tículas o como onda según el experimen-to que se realice.

Podemos imaginar ahora la cantidadde aplicaciones que puede tener esteefecto, una de las más simples son laspequeñas células fotoeléctricas de losascensores: al recibir luz la célula crea una

pequeña corriente que cesacuando un obstáculo se interpo-ne entre ella y el emisor. Detodos modos, aún más intere-sante es iluminar, no un metal,sino un semiconductor...

EL PUNTO MEDIO:LOS SEMICONDUCTORESUn conductor consiste en elec-trones unidos a sus átomos tandébilmente que se puedenmover libremente por todo elmaterial. Por el contrario, un ais-lante consiste en un conjunto deátomos celosos de guardar parasí los electrones. De todosmodos también en física hayentre el blanco y el negro unaescala de grises que en estecaso corresponde a los semi-

conductores. En cierto tipo de átomoscomo el germanio y el silicio los electro-nes, aunque unidos a los átomos, puedenser arrancados al darles un poco de ener-gía. De esta manera el electrón salta yqueda libre en el material, dejando tras desí un "agujero" (llamado exactamente asíen electrónica). De esta manera, al aplicarun campo eléctrico, el electrón se despla-za creando una corriente eléctrica.

Pero lo que es aún más curioso es queel agujero también es capaz de conducircorriente eléctrica. Esto se puede entenderimaginando una cola de coches en unaautopista una calurosa tarde de agosto(esto último no es indispensable). Uncoche se mueve, dejando un "agujero" trasde sí, el conductor siguiente al moversehacia delante deja ese "agujero" tras de sí,que vuelve a dejarlo el coche siguiente alavanzar una posición. Imaginemos estovisto desde el aire: veremos que el agujerose va desplazando en sentido contrario alos coches. Si sustituimos la palabra

Por Luis Carlos PARDO, doctor en Ciencias Físicas por la UPC

El CCD es uno de los causantes del abaratamiento y reducción del

tamaño de las cámaras de vídeo y del fenómeno de la fotografía digital

"coche" por la palabra "electrón" tendre-mos una explicación perfecta de la conduc-ción por agujeros.

Ahora bien, ¿cómo arrancamos el elec-trón? Una posibilidad es mediante calor. Alaumentar la temperatura, los electrones semueven más rápido hasta que saltan dellugar que les corresponde. Además salta-rán más electrones (es decir, el semicon-ductor conducirá mejor la electricidad)cuanto más alta sea la temperatura: deesta manera funcionan algunos termóme-tro digitales, midiendo la capacidad deconducir la electricidad de un semicon-ductor, es decir, su resistencia. De todosmodos, para arrancar electrones se realizamediante fotones, es decir: luz.

UNA COMBINACIÓN PRODUCTIVAUn dispositivo de carga acoplada, eninglés Charge Coupled Device o CCD, fun-ciona gracias a que un semiconductortiene los electrones unidos de manera queun simple fotón es capaz de arrancar unelectrón. En un aislante esto no es posibleporque los electrones están muy unidos alos átomos, y en un metal, estám tan pocounidos que saldrían volando de él, o pasa-

rían a circular por un circuito exterior, si elfotón tiene suficiente energía. Cuando unfotón llega a un semiconductor, se arran-ca un electrón que queda libre en el mate-rial, y por tanto se crea una pareja electrónagujero. El número de parejas que se for-

marán será tanto más grande cuantomayor sea el número de fotones que inci-dan en una zona. Por lo tanto, ya tenemosun dispositivo capaz de generar una imá-gen utilizando cargas eléctricas en vez deluz: las zonas claras estarán formadas pormuchas cargas, y las zonas más oscuraspor pocas cargas eléctricas. Además,para evitar que éstas caigan en la tenta-ción de moverse de sitio, al transcurrir eltiempo quedarán pegadas en una cara delsemiconductor en que se encuentrannumerosas plaquitas metálicas que sepueden cargar positiva o negativamente:

los agujeros quedarán acumulados dondese encuentren las placas cargadas nega-tivamente.

Ahora necesitamos "descargar" la ima-gen, es decir, mover las cargas. Esto sehace de manera ordenada al desplazar lacarga positiva de las plaquitas metálicas enuna dirección, que vendrán seguidas porlas cargas que forman la imagen. De estamanera tendremos un vaciado de la ima-gen fila por fila hasta que se haya descar-gado completamente.

Poco se imaginaba Einstein, en su aven-tura intelectual, que la explicación del efec-to fotoeléctrico daría lugar a un dispositivocon el que tomar imágenes de forma ins-tantánea. Entender que la luz, formada porpartículas (y a veces comportándose comouna onda) pudiera arrancar electrones, yademás llegar a comprender los secretosde la materia, formada por electrones uni-dos a los núcleos, nos ha dado la posibili-dad de idear y fabricar cámaras con dispo-sitivos CCD. Si además añadimos el descu-brimiento de los semiconductores, podre-mos permitirnos el lujo de tomar unas fotosde un pequeño escritorio de la calleKramgasse 49 en Berna, donde Einsteinfundó las bases de la física moderna

“Un CCD funciona de

manera que un simple

fotón es capaz de

arrancar un electrón”