Teoria de Los Semiconductores

7/26/2019 Teoria de Los Semiconductores

1/27

UNIDAD II

SEMICONDUCTORES2.1 LOS SEMICONDUCTORES

FUNCIONAMIENTO DE LOS SEMICONDUCTORESDe las innumerables propiedades fsicas y qumicas que podemos encontrar en cualquierelemento de la naturaleza, como electrnicos que somos, la nica que nos interesa es lafacilidad para permitir el paso de electrones a travs de ellos, esto es, lo que se conoce con elnombre de corriente elctrica. Un material que permita fcilmente este paso se dice que tienebuena conductividad.

En la naturaleza existen tres tipos de materiales segn sea su comportamiento frente al paso de lacorriente elctrica: conductores, aislantes y semiconductores.

En un conductor, el paso de electrones de un lado a otro se produce libremente sin ningn tipo deimpedimento. Algo as como el agua fluyendo libremente por un tubera. Por el contrario, en unaislante es dificilsimo el movimiento de los electrones, impidiendo, por tanto, el paso de la corriente,como si a nuestra tubera le pusiramos un tapn en la entrada. Por ltimo, el semiconductor es elcaso intermedio, donde es posible el paso de electrones pero no tan fcilmente como en losconductores, ya que necesitan un ayuda extra, sera como una tubera con un rejilla de goma quepudisemos cerrar o abrir segn las necesidades.

Este ltimo tipo es el que nos ocupa pues es el material con el que se fabrican los dispositivoselectrnicos.

Para poder entender cmo es posible que la corriente pueda circular "libremente" por un material y"con reticencias" por otro, nos vamos a adentrar en el mundo microscpico.

Todo material est compuesto de partculas increblemente pequeas llamadas tomos. Un tomo, asu vez, consta principalmente de un ncleo y unos electrones. Cuando se "juntan" tomos iguales, esdecir, con el mismo nmero de electrones, obtenemos lo que se conoce como elemento. As, porejemplo, el cobre es el resultado de "juntar" tomos que tienen 29 electrones entre s. Ahora bien, laforma de unir estos tomos es lo que tcnicamente se conoce con el nombre de "enlace" y es lo queva a determinar las caractersticas fsicas y qumicas de dicho elemento.

A efectos elctricos, lo que nos interesa exclusivamente de un elemento es la facilidad de ste parapermitir el paso de corriente elctrica, denominndose conductividad. Esta facilidad vienedeterminada por lo que se conoce como electrones de valencia. Esto no es ms que el nmero deelectrones pertenecientes al tomo que tendran la oportunidad de circular junto con la corriente


2/27

elctrica por la "tubera", sea en un conductor o un semiconductor. En los materiales aislantes esmuy difcil separar a un electrn de valenciade su tomo.

Los semiconductores ms importantes, utilizados actualmente, son el germanio (Ge) y el silicio(Si), ambos tienen cuatro electrones de valencia.

FUNCIONAMIENTO DE LOS SEMICONDUCTORES

Los semiconductores son materiales moderadamente estables, es decir, si nada les perturba noconducen la corriente. Ahora bien, basta que les "molestemos" un poco para que esos electrones devalenciaque tiene cada tomo, salten y se vayan a la aventura formando un corriente elctrica.

Hay dos formas de "molestar" a los electrones de los tomos:

La primera es calentndolos. Un aumento de temperatura hace que los electrones tengan msenerga y se pongan nerviosos. Alguien podra pensar que los electrones son como granos de mazen una sartn y segn se van calentando empiezan a saltar salindose del recipiente.

Al igual que las palomitas, nuestros electrones saltan y se van del tomo al que estaban unidos paraempezar a circular junto con otros electrones creando la corriente.

La segunda es "aadiendo un extrao", lo cual se conoce con el nombre de dopaje. La tcnica deldopaje consiste simplemente en alterar la estructura interna de un semiconductor, aadiendo dentrode l una pequesima cantidad de tomos de otro elemento bastante similar al original. Al dopar un

elemento ocurre como si a un montn de harina le aadimos un "pellizquito" de levadura loremovemos bien y lo metemos al horno, a simple vista parece que no hemos hecho nada pero los


3/27

efectos fsicos son bien visibles. Al dopar un semiconductor se produce un gran aumento de supermisividad al paso de la corriente.

QU OCURRE AL CALENTAR UN ELEMENTO?

Los electrones de valencia se van de su sitio y dejan un "hueco". Los electrones son la parte deltomo que tiene carga negativa y al marcharse uno de ellos se produce una falta de esta carga; estoes lo mismo que decir que se produce un exceso de carga positiva en un tomo que hasta ahora eraneutro (igual nmero de cargas positivas que negativas). Este exceso de carga positiva lleva anuestro pobre tomo a buscar desesperadamente un electrn para equilibrarse y quedarse de nuevoneutro y tranquilo. Pero qu ocurre una vez que lo ha encontrado?, pues que ese electrn no se loha encontrado por ah perdido sino que a su vez lo ha robado de otro tomo y ha dejado otro huecoy, por tanto, volvemos a empezar. De nuevo tenemos a un hueco buscando un electrn.

Este vaivn de electrones y huecos es lo que llamamos corriente elctrica.


4/27

TIPO N Y TIPO P

Cuando al dopar introducimos tomos con treselectrones de valenciaen un elemento de tomoscon cuatro estamos formando un semiconductor tipo P, viniendo su nombre del exceso de carga

positiva que tienen estos elementos. Estos tomos "extraos" que hemos aadido se recombinan conel resto pero nos queda un "hueco" libre que produce atraccin sobre los electrones que circulan pornuestro elemento. Tambin se produce una circulacin de estos huecos colaborando en la corriente.

Sin embargo, si los tomos aadidos tienen cinco electrones en su ltima capa, el semiconductor

se denomina de tipo N,por ser ms negativo que uno sin dopar. En este tipo de materiales tenemosun quinto electrn que no se recombina con los dems y que, por tanto, est libre y vaga por elelemento produciendo corriente. Para hacerse una idea de las cantidades que entran en juego enesto del dopaje se podra decir que se introduce un tomo extrao por cada doscientos millones detomos del semiconductor.

Hasta ahora hemos descrito la corriente elctricacomo el paso de electrones de un lado a otro peroha llegado el momento de aumentar este concepto. Como hemos visto, la aparicin de un huecoproduce el movimiento de un electrn hacia l dejando de nuevo un hueco al que ir otro electrn.Este movimiento puede verse desde dos puntos de vista. El primero es el del electrn movindosede derecha a izquierda, el segundo sera el del hueco desplazndose de izquierda a derecha. Puesbien, no es correcto ni uno ni otro, sino los dos a la vez. Hay que pensar que tan importante es un

movimiento como el otro, y que la corriente elctrica hemos de concebirla como la suma de los dos.Como veremos, en unos casos ser ms importante, cuantitativamente hablando, la corriente creadapor el movimiento de los electrones y, sin embargo, en otros lo ser la creada por los huecos. Se haadoptado por convenio que la corriente elctrica lleva el sentido de los huecos, es decir, cuandoseguimos el sentido de los electrones la corriente es negativa y positiva en caso contrario.

Debemos dividir a los semiconductores en dos grupos: intrnsecos y extrnsecos. Lossemiconductores extrnsecos son aquellos a los que se les ha dopado de alguna forma,produciendo as un semiconductor tipo Po deltipo N. Y los intrnsecos son los que no han sufridoninguna clase de dopaje.


5/27

Puesto que el paso de electrones a travs de cualquier material siempre produce calor nos va a serimposible separar los efectos producidos por el dopaje y el aumento de temperatura en unsemiconductor; as que ambos efectos se suman y la circulacin de electrones y huecos va a sermayor.

PORTADORES MAYORITARIOS Y MINORITARIOS

No est completa nuestra explicacin sin comentar brevemente lo que se conoce con el nombre deportadores mayoritarios y minoritarios.

Cuando existe corriente dentro de un material hemos visto que es debida a electrones movindosehacia un lado y a huecos desplazndose en sentido contrario. Pero las cantidades de unos y otros notienen por qu ser iguales ni parecidas, esto depende del material por el que circule la corriente.Llamamos portadores mayoritarios a quien contribuya al paso de la corriente en "mayor" medida y,obviamente, los minoritarios sern aquellos que lo hagan en menor medida.

Si tenemos un material tipo N por el que circula corriente, los portadores mayoritarios sern loselectrones que le "sobran" por el dopaje junto con los electrones que "saltan" debido al calor y losportadores minoritarios sern los huecos producidos al marcharse los electrones de su sitio. Por el

contrario, en un semiconductor tipo Plos portadores mayoritariossern los huecos que tiene en"exceso" por el dopaje ms los huecos que se producen por efecto del calor, mientras que losportadores minoritariossern los electrones que han "saltado" de su sitio.


6/27

2.2 DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES (N - P)

UNIN P- N

Llegados a este punto, cualquiera con un poco de curiosidad se habr hecho la siguiente pregunta:

Qu ocurrira si se juntase un "trozo" de material tipo P con un "trozo" de material tipo N? Puesbien, esta pregunta ya se la hizo alguien hace unos cuantos aos y dio origen a lo que hoy da seconoce como unin P- N.

De nuevo, como electrnicos que somos, solamente nos interesa algo muy concreto de esta unin,

lo cual no es otra cosa que su comportamiento en cuanto al paso de corriente elctrica.

Supongamos, primeramente, que hemos unido por las buenas un trozo de material tipo Pcon unotipo N; qu ocurre?, pues que los electrones que le sobran al material tipo N se acomodan en loshuecos que le sobran al material tipo P. Pero, ojo!, no todos los de un bando se pasan al otro,solamente lo hacen los que estn medianamente cerca de la frontera que los separa; y por qu solounos pocos? Pues porque el hecho de que se vayan los electrones con los huecos es debido a laatraccin mutua que existe entre ellos ya que poseen cargas opuestas; sin embargo, una vez que sehan pasado cierta cantidad de electrones al otro bando comienza a haber una concentracin deelectrones mayor de lo normal, lo que provoca que estos empiecen a repelerse entre ellos. Por tanto,se llega a un equilibrio al haberse ido los suficientes electrones para apaciguar la atraccin hueco-electrn inicial pero no tantos como para llegar a repelerse entre ellos. Una vez alcanzado este

equilibrio se dice que se ha creado una barrera de potencial. Una barrera de potencial essimplemente una oposicin a que sigan pasando los electrones y huecos de un lado a otro. Estasituacin permanecer inalterable mientras no hagamos nada externo para modificarla, es decir,compensar el efecto de esa barrera de potencial con otro potencial aportado por nosotros, porejemplo, conectndolo a una batera.


7/27

POLARIZACIN DIRECTA E INVERSA

Existen dos formas de conectar una batera a una unin P- N. Primero conectar el borne positivo de la

batera con el material tipo Py el borne negativo con el material tipo Ny la otra conectar el bornepositivo con el material tipo N y el borne negativo con el tipo P. A la primera de ellas se la denominapolarizacin directay a la segunda polarizacin inversa. Veamos qu ocurre en cada una de ellas.Al polarizar directamente una unin P- N,el polo negativo de la batera est inyectando electrones almaterial N, mientras que el polo positivo recibe electrones del lado P crendose as una corrienteelctrica. Con esta batera hemos conseguido vencer el obstculo que se haba creado debido a labarrera de potencial existente entre ambos materiales. De nuevo los electrones y los huecos puedenpasar libremente a travs de la frontera.

Sin embargo, al polarizar inversamente una unin P- Nno se crea una corriente en sentido opuestosino que, curiosamente, no hay corriente alguna. Esto es por que los huecos libres del tipo P serecombinan con los electrones que proceden del polo negativo de la batera, y los electrones libresdel tipo Nson absorbidos por sta, alejndose tanto huecos como electrones de la unin: en vez devencer nuestra barrera de potencial sta se ha hecho ms grande y no existe corriente; aunque, paraser exactos, s existe una corriente y esta es la producida por los portadores minoritarios, pero esdemasiado pequea e inapreciable.


8/27

2.3 DIODOS (Si - Ge) TIPOS

EL DIODO

Todo dispositivo semiconductor est formado bsicamente por uniones P- N. Los transistores FET,

MOSFET, etc., son combinaciones de estas uniones. Incluso una unin P- N es por s sola undispositivo electrnico ampliamente conocido: el diodo.

Para empezar, vamos a hablar del diodo "ideal", es decir, un diodo cuyo comportamiento sera eldeseado pero que no es posible alcanzarlo en la realidad. Este tipo de diodos solamente permiten elpaso de corriente en un sentido, oponindose en el sentido contrario. Esta caracterstica tiene un graninters en la conmutacin ya que de ella se deriva una propiedad ON-OFF(abierto-cerrado), comoveremos ms adelante.

La diferencia entre un diodo realy un diodo ideal est en que el primero va a permitir la corriente enun sentido pero no libremente sino que ofrece una pequea resistencia y adems, al polarizarseinversamente, no corta la corriente de una manera tajante sino que, como hemos visto en la unin P-N, hay una pequea corriente en sentido contrario. Si la diferencia de potencial existente entre losextremos del diodo fuese lo suficientemente grande, esta corriente inversa ahora s empezara aaumentar de manera considerable. Nos encontramos en la regin de funcionamiento llamada "zener",

la cual es tremendamente destructiva para el diodo. Sin embargo, ciertos diodos estn fabricadosespecialmente para funcionar en esta regin y son conocidos como diodos "zener".


9/27

DIODOS, TIPOS, USOS Y LUGAR DE OPERACIONES

Deberamos saber colocar cada componente electrnico en el lugar que le corresponde. Losdiodos son esa clase de componente que te puedes topar en cualquier esquina y, por tanto, noestar de ms clasificar sus diversidades y aplicaciones.

No es fcil resumir aqu todas y cada una de las caractersticas de los diversos tipos de diodos quepodemos encontrar en el mercado. Para empezar a esquematizar la oferta disponible nos ser desuma utilidad la siguiente tabla bsica que clasifica los tipos de diodos ms utilizados en funcin,precisamente, del uso que se les d.

Tipos bsicos de Diodos Semiconductores

Diodos rectificadoresDiodos de tratamiento de seal(RF)Diodos de capacidad variable(varicap)Diodos Zener

FotodiodosDiodos luminiscentes (LED)


10/27

Una vez esquematizado el panorama "diodil" vamos a adentrarnos un poco ms en cada uno de lostipos existentes:

DIODOS RECTIFICADORES

Los diodos que todo aficionado a la electrnica conoce en primer lugar son los de tipo rectificadorsencillo. Quizs esto se deba a lo intuitivo de la comprensin de la funcin rectificadora. Como ya seha visto anteriormente, una de las principales caractersticas "prcticas" de los diodos es facilitar elpaso de la corriente continua en un nico sentido (polarizacin directa). Parece lgico comprender deun plumazo que si hacemos circular a travs de un diodo una CA sta slo lo har en la mitad de lossemiciclos, aquellos que polaricen directamente el diodo, por lo que a la salida del mismoobtendremos una seal de tipo pulsatoria pero continua (si entendemos por tensin o seal continuaaquella que no vara su polaridad).

DIODOS DE TRATAMIENTO DE SEAL (RF)

Los diodos de tratamiento de seal requieren algo ms de calidad de fabricacin que los tpicosrectificadores. Estos diodos estn destinados a formar parte de etapas moduladoras, demoduladoras,mezcla y limitacin de seales, etc.

Uno de los puntos ms crticos en el diodo, a la hora de trabajar con media y alta frecuencia, secentra en la "capacidad de unin", la cual se debe a que en la zona de launin PNse forman doscapas de carga de sentido opuesto que conforman una capacidad real.

En los diodos de RF (Radio-frecuencia se intenta que dicha capacidad sea reducida a su mnimaexpresin, lo cual ayudar a que el diodo conserve todas sus "habilidades" rectificadoras, inclusocuando tenga que trabajar en altas frecuencias.

Entre los diodos ms "preparados" para bregar con las altas frecuencias destaca el diododenominado Schottky. Este diodo fue desarrollado a principio de los setenta por la firma Hewletty yderiva de los diodos de punta de contacto y de los de unin PN de los que han heredado elprocedimiento de fabricacin.


11/27

DIODOS DE CAPACIDAD VARIABLE (VARICAP)

La capacidad formada en extremos de la unin PN puede resultar de suma utilidad cuando, al

contrario de lo que ocurre con los diodos de RF, se busca precisamente utilizar dicha capacidad enprovecho del circuito en el cual est situado el diodo.

Al polarizar un diodo de forma directa se observa que, adems de las zonas constitutivas de lacapacidad buscada, aparece en paralelo con ellas una resistencia de muy bajo valor hmico, lo queconforma un condensador de elevadas prdidas. Sin embargo, si polarizamos el mismo en sentidoinverso la resistencia paralelo que aparece es de un valor muy alto, lo cual hace que el diodo sepueda comportar como un condensador con muy bajas prdidas.

Si aumentamos la tensin de polarizacin inversa las capas de carga del diodo se espacian losuficiente para que el efecto se asemeje a una disminucin de la capacidad del hipotticocondensador (similar al efecto producido al distanciar las placas de un condensador estndar).

Por esta razn podemos concluir que los diodos de capacidad variable (conocidos ms popularmentecomo varicap's) varan su capacidad interna al ser alterado el valor de la tensin que los polariza deforma inversa.

La utilizacin ms solicitada para este tipo de diodos suele ser la de sustituir a complejos sistemasmecnicos de condensador variable en etapas de sintona en todo tipo de equipos de emisin yrecepcin. Por poner un ejemplo, cuando actuamos en la sintona de un viejo receptor de radioestamos variando (mecnicamente) el eje del condensador variable que incorpora ste en su etapade sintona; pero si, por el contrario, actuamos sobre la ruedecilla o, ms comnmente, sobre el botn(pulsador) de sintona de nuestro moderno receptor de TV color lo que estamos haciendo es variar latensin de polarizacin inversa de un diodo varicap contenido en el mdulo sintonizador del equipo.


12/27

DIODO ZENER

Al estudiar los diodos se hace hincapi en la diferencia existente en la grfica tipo con respecto a loque es corriente directa e inversa. Si polarizamos inversamente un diodo estndar y aumentamos latensin llega un momento en que se origina un fuerte paso de corriente que lleva el diodo a sudestruccin. Este punto viene dado por la tensin de ruptura del diodo.

Pero podemos conseguir "controlar" este fenmeno y aprovecharnos de l, de forma que no se

origine necesariamente la destruccin del diodo. Todo lo que tenemos que hacer es que estefenmeno se d dentro de unos mrgenes controlables.

El diodo zener es capaz de trabajar en la regin en la que se da el efecto del mismo nombre cuandolas condiciones de polarizacin as lo determinen y volver a comportarse como un diodo estndar unavez que la polarizacin retorne a su zona de trabajo habitual.

Resumiendo, el diodo zener se comportar como un diodo normal, salvo que alcance la tensin zenerpara la que ha sido tarado en fbrica, momento en que dejar pasar a travs de l una cantidadingente de corriente. Este efecto se produce en todo tipo de circuitos reguladores, limitadores yrecortadores de tensin. La aplicacin zener, sobre todo a fuentes de alimentacin, ser tratada conprofusin algo ms adelante.


13/27

FOTODIODOS

Un hecho que tambin se ha utilizado en provecho de la moderna tcnica electrnica es la influenciade la energa luminosa en la ruptura de los enlaces de electrones situados en el seno constitutivo de

un diodo.

Los fotodiodos son diodos en los cuales se ha optimizado el proceso de componentes y forma defabricacin de modo que la influencia luminosa sobre su conduccin sea la mxima posible. Esto selogra, por ejemplo, con fotodiodos de silicio en el mbito de la luz incandescente y con fotodiodos degermanio en zonas de influencia de luz infrarroja.

DIODOS LUMINISCENTES (LED)

Este tipo de diodos se ha popularizado ltimamente y ya puede encontrarse casi en cualquier equipoelectrnico que se tilde de "moderno". Las formas y, no tanto, los colores se han diversificado a pasosagigantados.

La operativa de un diodo LED se basa en la recombinacin de portadores mayoritarios en la capa debarrera cuando se polariza una unin PNen sentido directo. En cada recombinacin de un electrncon un hueco se libera cierta energa. Esta energa, en el caso de determinados semiconductores, seirradia en forma de luz; en otros se hace en forma trmica.

Dichas radiaciones son bsicamente monocromticas. Mediante un adecuado "dopado" del materialsemiconductor se puede afectar la energa de radiacin del diodo.

El nombre de LED se debe a su abreviatura inglesa (Light Emmiting Diode).Adems de los diodos LED existen otros diodos con diferente emisin, en concreto infrarroja, y queresponden a la denominacin IRED (Diodo emisor de infrarrojos).


14/27

ENCAPSULADOS Y NOMENCLATURA

Existen, claro est, serias divergencias en cuanto a la nomenclatura que ha de utilizarse a la hora deidentificar los diferentes tipos de diodos existentes. Fabricantes europeos, americanos y japoneses no

parecen ponerse de acuerdo. Aunque, ciertamente, lo que s existe es un buen nmero derecopilaciones de "tablas de equivalencias" en el argot tcnico que intentan identificar tipos europeos,americanos y japoneses de la mejor manera posible. Ante cualquier duda no tendremos ms remedioque utilizar estas tablas si no queremos emplear un componente errneo como sustituto de unoaveriado. No son perfectas pero intentan paliar el desaguisado normativo.

Las ilustraciones adjuntas intentan mostrar parte de la normativa europea al respecto. Bastamencionar que los americanos suelen identificar sus semiconductores con denominaciones quecomienzan casi siempre con "1N" "2N", correspondiendo, respectivamente, a diodos y transistores.


15/27

DIODOS Y TRANSISTORES

Los componentes bsicos a la hora de construir un circuito integrado son los diodos y lostransistores, a travs de los cuales podremos formar todas las puertas lgicas.

Los diodos y transistores son semiconductores activos dentro de un circuito electrnico. Son losnicos componentes analgicos que nos permitirn tener dos estados elctricos: conduccin ycorte. Estudiemos ambos componentes cuando estn en cada situacin.

CARACTERSTICAS GENERALES DE LOS DIODOS

Un diodo est formado por una unin p-n es decir, dos tipos de semiconductores distintos, uno tipo py el otro tipo n. En los primeros existirn iones positivos y electrones, mientras que en los segundoshay iones negativos que, paradjicamente, se denominan "huecos".


16/27

Si en un lado de un cristal semiconductor se introducen donadores (iones positivos) y en el otro ladoaceptadores (iones negativos) quedar construida una unin p-n. El in donador se representa por unsigno ms, ya que, despus de que este tomo de impureza haya dado un electrn, se transformaen un in positivo.

El in aceptador est indicado con un signo menos porque, despus de aceptar este tomo unelectrn, se transforma en un in negativo. Inicialmente, slo hay portadores del tipo pa la izquierdade la unin, y portadores de tipo na la derecha.

A causa de la existencia de una concentracin de cargas a travs de la unin, los "huecos" sedifunden hacia la derecha atravesando la unin, y los electrones hacia la izquierda. Vemos, pues, quelos "huecos" que neutralizaban los iones aceptadores en las proximidades de la unin en elsemiconductor tipo p, han desaparecido como resultado de la combinacin con los electrones que sehan difundido a travs de la unin. De forma parecida, los electrones neutralizantes delsemiconductor tipo nse combinan con los huecos que atraviesan la unin desde el material tipo p.

Los iones no neutralizados en las cercanas de la unin se conocen con el nombre de cargasdescubiertas. Como la regin de la unin no contiene cargas mviles se le denomina regin dedesviacin o de transicin.La caracterstica esencial de una unin p-n es la que constituye un rectificador que permite un flujofcil de corriente en una direccin, pero se opone a la circulacin en direccin opuesta.

CARACTERSTICAS ESTTICAS Y DINMICAS DE UN DIODO

Si conectamos una batera en los terminales extremos de la unin p-n de manera que el terminalnegativo de la batera est conectada al lado pde la unin, y el positivo al lado n, la polaridad de launin ser tal que tender a llevar los huecos del tipo py los electrones del tipo na alejarse de launin. En consecuencia, la regin de densidad de cargas negativas se extiende hacia la izquierda de

la unin y la regin de la densidad de las cargas positivas se desplaza hacia la derecha. No obstante,este proceso no puede continuar indefinidamente, ya que, para tener una afluencia de "huecos" haciala izquierda, stos deberan alimentarse de la regin tipo ny hay muy pocos huecos en el lado n; porlo tanto, la corriente ser cero.


17/27

Si polarizramos directamente la unin p-n quedara el tipo p con tensin positiva y el tipo n conpotencial negativo. Al aplicar una tensin directa al diodo, se reduce la barrera de potencial en launin, perturbndose as el equilibrio establecido entre las fuerzas que tienden a producir la difusinde los portadores mayoritarios. Por lo tanto, los "huecos" y los electrones atravesarn la unin,

crendose una corriente que circular a travs de ambas regiones en un solo sentido.

Toda esta teora hace que existan unas determinadas caractersticas que habrn de considerarse a lahora de utilizar los diodos para disear los circuitos integrados. stas son:


18/27

Intensidad inversa: tiene poco inters, generalmente, ya que es del orden de microamperios. Seespecifica a una tensin por debajo de la ruptura. Depende del rea de la unin y de si ha sidosaturado con oro o no. Si est saturado con oro, es dos o tres veces mayor. Es poco dependiente dela tensin inversa. Inicialmente aumenta con esta tensin, pero despus permanece prcticamente

constante. La corriente inversa aumenta con la temperatura segn una ecuacin exponencial.Capacidad: Normalmente, la capacidad calculada para un diodo es la suma de la capacidad de launin y la capacidad de las patillas y el encapsulado. Se especifica a una frecuencia de 1 MHz,siendo del orden de 2 a 10 pF, y es inversamente proporcional a la tensin.

Estas caractersticas se dan cuando el diodo est en corte, si se encontrara en conduccin susvalores fundamentales seran:

Cada de tensin directa: Se da generalmente para dos valores de corriente directa. Aumenta consta, aunque poco. Depende de la temperatura, en una proporcin aproximada de 2,5 milivoltios porgrado centgrado; los valores tpicos son: para diodos de silicio, 0,7 V; y para diodos de germanio, 0,3

V.Dentro de las caractersticas dinmicas caben destacar:

- Tiempo de subida de la intensidad (rise time), se toma desde un valor del 10% hasta el de 90% dela intensidad final. Es del orden de 50 nanosegundos.

- Tiempo de recuperacin directa (Forward Recovery Time): es la diferencia de tiempo entre el puntodel 10% de la tensin directa del diodo y en el que esta tensin alcanza y permanece dentro del 10%de su valor final. Es del orden de 50 a 200 nanosegundos.

- Tiempo de recuperacin inversa (Reverse Recovery Time): impone un lmite superior de la

frecuencia a la que se puede emplear un diodo. Es del orden de 50 a 200 nanosegundos.

CARACTERSTICAS ESTTICAS DE LOS TRANSISTORES

Los transistores estn formados por una unin tipo p-n-po n-p-n, dependiendo de la utilizacin quese les vaya a dar. Destacaremos alguna de sus caractersticas:


19/27

Intensidad de colector: sta aumenta con la tensin de colector-emisor. Los valores de intensidadesde colector en corte se dan para un valor dado de tensin y para una temperatura determinada. Entransistores de germanio la intensidad de colector en corte se duplica cada 10 C de aumento, y entransistores de silicio lo hace cada 6 C.

Tensin de colector: La tensin colector aumenta con la intensidad de colector y disminuye con elaumento de intensidad de base. Los valores tpicos son para transistores de germanio de 0,05 a 0,3V, y para los de silicio de 0,2 a 0,5 V.


20/27

2.4 FUENTES DE VOLTAJE Y CORRIENTE

LAS FUENTES DE ALIMENTACION

Los diodos son dispositivos electrnicos cuyo funcionamiento consiste en permitir el paso dela corriente en un sentido y oponerse en el opuesto. Vamos a ver una de las aplicaciones delos diodos gracias a esta caracterstica. Las fuentes de alimentacin son usadas parasuministrar corriente elctrica a nuestros aparatos electrnicos, pero como parten de unacorriente alterna es necesario transformarla a corriente continua. En este objetivo vamos atener como grandes aliados a los diodos.

La fuente de alimentacin es a un dispositivo electrnico como los "alimentos" son a los sereshumanos. Es evidente que cualquier equipo necesita de ella para funcionar. Si falla la fuente fallatodo el equipo.

La forma en que est disponible la energa elctrica de nuestros hogares no es la adecuada para losaparatos que todos conocemos: televisores, lavadoras, frigorficos, etc. ya que la mayor parte deestos aparatos necesitan corriente continuapara funcionar, mientras que la disponible en nuestrosenchufes es corriente alterna.


21/27

Tenemos dos soluciones, la primera es usar pilas o bateras pero esto nos saldra muy caro; lasegunda es transformar la corriente. De ahora en adelante nuestro objetivo va a consistir entransformar la corriente alterna en corriente continua.

El proceso se divide en distintas etapas bien diferenciadas, como puede verse en la ilustracin

correspondiente. La corriente elctrica en "bruto" viene como corriente alterna y con tensin variable;sin embargo, tras atravesar la fuente de alimentacin, obtenemos corriente continua con tensinconstante... y esta es la que nos interesa pues es la que vamos a conectar a nuestros dispositivos.

La primera etapa por la que va a tener que pasar la corriente va a ser por un transformador depotencia. Este no hace ms que elevar la diferencia de potencial o disminuirla (depende del tipo detransformador) , esto se traduce en una "elongacin" de su grfica.

Siguiendo con la similitud entre la corriente y un chorro de agua podemos imaginar el efecto de esteprimer paso, que es el transformador, como si pisramos una manguera por la que est circulandoagua. Veramos que al disminuir el ancho de la manguera, seguira saliendo la misma cantidad deagua, pero a mayor presin. Este ejemplo equivaldra a un transformador cuya funcin fuese la deaumentar la tensin. Por el contrario, un transformador que disminuyese la tensin se podracomparar con una manguera en la que la mitad de ella tuviera un anchura, y la otra mitad tuviera unaanchura mayor. El agua al pasar del trozo de manguera ms estrecho al trozo ms ancho sufrira un"frenazo" en su camino de un extremo de la manguera al otro. As entrara a una presin y saldra auna presin menor.

El segundo paso para la corriente se conoce con el nombre de rectificador. La finalidad de ste,

tcnicamente hablando, se dice que es convertir la tensin y corriente alterna en tensin y corriente"unidireccionales". En nuestro ejemplo es bien sencillo darse cuenta de lo que esto significa; comohemos visto, la corriente alterna se puede equiparar al agua circulando ahora en este sentido...ahoraen el contrario...y as sucesivamente. Pues un rectificador no sera ms que una vlvula.


22/27

Como muestra la ilustracin correspondiente donde se permite al agua circular nica yexclusivamente en un sentido pero no en el contrario. As pues, la polaridad de la tensin que salgadel rectificador va a ser siempre la misma y por tanto, a partir de aqu, ya tenemos corriente

continua. Sin embargo, la tensin de que disponemos todava no es la adecuada ya que, a pesar deno hacerse negativa, todava sigue oscilando entre cero, un mximo... y de nuevo cero.

En el siguiente paso, el filtro, va a ser el encargado de "apaciguar" estas oscilaciones de la tensin,consiguiendo una tensin con unas oscilaciones bastante menores. De nuevo podramos imaginaruna manguera que tuviese un trozo ancho y a continuacin otro estrecho y as de principio a fin: algosimilar a una "ristra de chorizos". El agua circulara oscilando constantemente su presin, siendo estamayor en los trozos estrechos y menor en los anchos, pues bien, nuestro filtro sera " algo" quealisara esas rugosidades de la manguera consiguiendo que el agua no sufriera tan grandes cambiosde presin y fluyera de una forma ms continua.

Por ltimo, podemos encontrarnos, aunque no siempre se utiliza, un regulador. La finalidad de dichodispositivo no es otra que atenuar ms si cabe esas pequeas variaciones de tensin que todava seproducen, proporcionando una tensin constante entre los bornes. En nuestro ejemplo, es como sipor fin dispusiramos de una manguera lisa y uniforme a travs de la cual circula una corriente deagua constante sin sufrir ningn tipo de variacin en su presin ni en su caudal.


23/27

A continuacin vamos a examinar cada uno de los dispositivos (etapas) con ms detalle, con el fin depoder llegar a un mayor entendimiento sobre cules son las propiedades y caractersticas de cadauno de ellos.

TIPOS DE RECTIFICADORES

El primero de los rectificadores que vamos a ver es el llamado RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA.Es el ms sencillo de todos los rectificadores y tambin el ms barato pero, como nadie es perfecto,el rectificador de media onda tampoco lo es y tiene numerosas desventajas que luegoenumeraremos. Es uno de los menos usados cuando se requiere eficacia y buen rendimiento, pero elms utilizado si lo que se requiere es un bajo coste.

Este circuito rectificador est formado por un solo diodo. La tensin de entrada al circuito es tensinde corriente alternay, como sabemos, esta tensin viene representada por una sinusoide con dosciclos uno positivo y otro negativo. Durante el ciclo positivo el nodo del diodo es ms positivo que elctodo y la corriente puede circular a travs del diodo. Pero cuando estamos en el ciclo negativo, elnodo va a ser ms negativo que el ctodo y no va a estar permitido el paso de corriente por eldiodo. La tensin de salida va a ser igual que la de entrada en el primer caso, es decir, un ciclo

positivo, mientras que en el segundo caso, cuando la tensin de entrada es negativa, la de salida va aser nula. La onda de salida ha quedado reducida a la mitad y de ah viene el nombre de rectificadorde media onda.

Una tensin de corriente alterna tiene dos "mitades", una positiva y otra negativa, en el caso anterior,hemos usado el rectificador para anular la parte negativa y nos hemos "quedado" con la positiva.Pero tambin podemos "quedarnos" con la negativa, simplemente con cambiar el sentido del diododentro del circuito rectificador.

Como hemos visto, la tensin de salida de un circuito rectificador de media onda se compone de unciclo con un valor positivo igual al de la tensin de entrada (en el caso ms normal ) y un ciclo con unvalor nulo. Esto es la causa de que este tipo de rectificadores casi no se usen, ya que durante un

tiempo no fluye corriente alguna en la salida. El voltaje que se produce no es muy til para hacerfuncionar nuestros aparatos, de ah la necesidad de filtrarlo primero, no siendo muy fcil este filtrado.


24/27

EL RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA

Es el rectificador ms usado. La gran diferencia con el rectificador de onda media es que, en estecaso, obtenemos a la salida tensin en todo instante y no tenemos intervalos de tiempo con una

tensin nula como ocurra con el otro rectificador. Es un poco ms caro ya que est constituido porun nmero mayor de componentes pero merece la pena dada su mayor eficacia.

Estos rectificadores estn constituidos principalmente por dos diodos y un transformador con tomacentral. Para explicar su funcionamiento tenemos que recordar que un diodo slo permite el paso dela corriente en un sentido; en este circuito tenemos dos diodos y cada uno de ellos va a permitir elpaso a la corriente en un caso opuesto. As, uno circular cuando la tensin de corriente alterna deentrada se encuentre en el ciclo positivo y, el otro, cuando se encuentre en el negativo. Pero si notuviramos la toma central el circuito estara cortado siempre, ya que cuando uno puede conducir elotro no, y viceversa, al estar colocados en sentidos opuestos; por eso tenemos que darle una "rutaalternativa" a la corriente para que se produzca tensin de salida en los dos ciclos de entrada.

La tensin de entrada a los circuitos de onda completa no es aprovechada en su totalidad, ya quecada uno de los diodos trabaja con la mitad de tensin al estar la toma central en la mitad de labobina; por eso, aunque vamos a obtener una tensin de corriente continua a la salida, en todo

instante de tiempo su valor va a ser la mitad del de la tensin de entrada.El rectificador de VLVULA es otro tipo de rectificador pero, por su similitud con los de ondacompleta, no vamos a dedicarle mucho tiempo. La tensin de salida de estos rectificadores es unaonda completa que, al igual que en los anteriores, es la mitad del valor de la de entrada. La diferenciase encuentra en los dispositivos que componen este circuito, aqu se usan diodos de tubos o vlvulas.


25/27

RECTIFICADOR PUENTE

Con este tipo de rectificadores vamos a conseguir una tensin de salida de corriente continua en todoinstante, al igual que en el rectificador de onda completa. La ventaja de los rectificadores tipo puente

es que la tensin de salida es de la misma magnitud que la de entrada, no perdemos la mitad comoocurra en los anteriores. La desventaja es que aqu necesitamos cuatro diodos, por lo que el costede este tipo de circuitos es superior a los vistos anteriormente.

El rectificador puente est formado por cuatro diodos que forman un "puente" entre la entrada y lasalida. Estos diodos estn conectados en paralelo con el transformador, y no tienen ninguna tomacentral como ocurra en los de onda completa, segn podemos ver en el dibujo.

Si el ciclo de tensin de la corriente alterna es el positivo, circula corriente por los diodos 1 y 2,obteniendo en la salida una tensin igual que la de entrada. Si el ciclo de entrada es negativo, circulacorriente por los diodos 3 y 4, y obtenemos a la salida una tensin igual en amplitud que la de entradapero positiva en vez de negativa. Por tanto, en cada ciclo estamos obteniendo en la salida unatensin de corriente continua positiva y de igual amplitud que la de entrada.Con estos rectificadores aprovechamos toda la tensin de entrada y conseguimos una rectificacin deonda completa, aunque su precio es el ms elevado de todos.

Otros circuitos rectificadores que todava no hemos nombrado son los dobladores de media onda,dobladores de onda completa y triplicadores de voltaje.


26/27

LOS CONDENSADORES COMO ALMACN DE ENERGA

Antes de pasar a ver cmo funciona un filtro debemos hacer un alto en el camino y comentarbrevemente qu son y cmo funcionan los dispositivos bsicos de cualquier equipo electrnico, los

condensadores.

Un condensador se puede concebir como un almacn de energa donde, al ser aplicada corrienteentre sus terminales, se la va reteniendo hasta llegar a un tope que vendr determinado por el tipo decondensador que sea. Una vez alcanzado dicho tope se pueden dar dos casos: el primero sera quela corriente siguiese circulando, el segundo que dejase de circular. En el primero de los casos elcondensador ya no afectara al paso de la corriente, pues al estar cargado no necesita ms energa,ahora bien, si la corriente cesara, sera entonces el momento en que el condensador comenzase a"soltar" su energa, siempre y cuando tuviese a quien "soltarla", es decir, siempre y cuando estuvieseconectado a "algo". En caso de no tener a quien "soltar" esta energa almacenada, esperarapacientemente a que fuese conectado para cederla. Supongo que todos hemos sido avisados delpeligro de "destripar" aparatos viejos como televisores o equipos musicales, incluso estandodesenchufados, pues bien, la razn de este consejo paternal se debe precisamente a que estosaparatos poseen condensadores muy grandes, capaces de almacenar la suficiente energa comopara propiciar una descarga elctrica nada recomendable.


27/27

FILTRO DE LA TENSIN RECTIFICADA

Ya hemos visto cmo la tensin que entrega un rectificador no es del todo til debido a su constantevariacin a lo largo del tiempo. Adems, sus oscilaciones van desde un valor tope, o mximo, hasta

"cero" y este es otro inconveniente ya que en el momento en que la tensin es cero, no se entregaenerga alguna. Pues bien, gracias al uso de un filtro conseguiremos "alisar" esas ondulaciones en latensin, a fin de obtener una tensin lo ms parecida a una constante; adems, el valor mnimo noser cero sino que tendr un valor algo positivo.

Como vemos en la ilustracin correspondiente, hemos aadido un condensador en paralelo. En estasituacin, si no se conectase nada entre los puntos A y B (llamados carga) el condensador

comenzara a cargarse hasta llegar a su tope. Es entonces cuando nuestro filtro ofrece una tensinconstante. Esta situacin sera suficiente siempre y cuando no se entregase corriente a la carga, esdecir, no se conectase algo. Pero, evidentemente, sera absurdo disear un dispositivo electrnicopara no utilizarlo. Qu pasa entonces cuando conectamos algo a las salidas del filtro? Pues quecualquier aparato electrnico que se conecte necesita energa para funcionar. Y esta energaelctrica que necesita la va a tomar de dos partes; por un lado toma energa de la propia fuente y porotro de la que tiene almacenada el condensador. Esto no tendra gran importancia si no fuera por elhecho de que el condensador, al descargarse, va perdiendo diferencia de potencial entre sus bornes,por tanto, vuelve a bajar la tensin. Sin embargo, como la fuente est constantemente suministrandoenerga elctrica, el condensador vuelve a cargarse y la tensin por tanto vuelve a subir. Es unaoscilacin de tensin que depender de qu cantidad de energa requiera el dispositivo conectado.No obstante, estas oscilaciones son bastante menores que las obtenidas directamente del

rectificador, as pues, su utilizacin est justificada.El funcionamiento de un filtro formado por un condensador est basado en que dicho condensadorpuede almacenar energa. Hay otro tipo de dispositivos capaces de almacenar la energa, son losinductores. Podemos tener un filtro formado por un inductor, un condensador o ambos juntos.

Documents

Teoria de Los Semiconductores