[Ebook] dispositivos electronicos floyd 8va
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- 1. FLOYD OCTAVA EDICIN Dispositivos Electrnicos Dispositivos
Electrnicos
- 2. Thomas L. Floyd Octava edicin eBook Dispositivos
Electrnicos
- 3. Octava edicin Thomas L. Floyd DISPOSITIVOS ELECTRNICOS
TRADUCCIN Rodolfo Navarro Salas Universidad Nacional Autnoma de
Mxico REVISIN TCNICA Francisco Rodrguez Ramrez Facultad de
Ingeniera Universidad Nacional Autnoma de Mxico Agustn Vzquez
Snchez Coordinador del Departamento de Fsica Instituto Tecnolgico y
de Estudios Superiores de Monterrey Campus Estado de Mxico
- 4. Thomas L. Floyd Octava edicin eBook Dispositivos
Electrnicos
- 5. Authorized translation from the English language edition,
entitled Electronic devices, 8th edition by Thomas L. Floyd,
published by Pearson Education, Inc., publishing as Prentice Hall,
Copyright 2008. All rights reserved. ISBN 0-13-242973-X Traduccin
autorizada de la edicin en idioma ingls titulada Electronic
devices, 8th edition por Thomas L. Floyd, publicada por Pearson
Education, Inc., publicada como Prentice Hall, Copyright 2008.
Todos los derechos reservados. Esta edicin en espaol es la nica
autorizada. Edicin en espaol Editor: Luis Miguel Cruz Castillo
e-mail: luis.cruz@pearsoned.com Editor de desarrollo: Bernardino
Gutirrez Hernndez Supervisor de produccin: Jos D. Hernndez Garduo
Edicin en ingls Editor-in-Chief: Vernon Anthony Editorial
Assistant: Lara Dimmick Production Editor: Rex Davidson Production
Manager: Matt Ottenweller Design Coordinator: Diane Ernsberger
Cover Designer: Linda Sorrells-Smith Cover Photo: Getty Images Art
Coordinator: Janet Portisch Director of Marketing: David Gesell
Marketing Assistant: Les Roberts OCTAVA EDICIN, 2008 D.R. 2008 por
Pearson Educacin de Mxico, S.A. de C.V. Atlacomulco 500, 5 piso
Col. Industrial Atoto 53519, Naucalpan de Jurez, Estado de Mxico
Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. Nm. 1031.
Prentice Hall es una marca registrada de Pearson Educacin de Mxico,
S.A. de C.V. Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni
parte de esta publicacin pueden reproducirse, registrarse o
transmitirse, por un sistema de recuperacin de informacin, en
ninguna forma ni por ningn medio, sea electrnico, mecnico,
fotoqumico, magntico o electroptico, por fotocopia, grabacin o
cualquier otro, sin permiso previo por escrito del editor. El
prstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesin de uso de este
ejemplar requerir tambin la autorizacin del editor o de sus
representantes. ISBN 10: 970-26-1193-8 ISBN 13: 978-970-26-1193-6
Impreso en Mxico. Printed in Mexico. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 11 10 09
08 Datos de catalogacin bibliogrfica FLOYD, THOMAS L. Dispositivos
electrnicos Octava edicin PEARSON EDUCACIN, Mxico, 2008 ISBN:
978-970-26-1193-6 rea: Ingeniera Formato: 21 27 cm Pginas:
1008
- 6. DEDICATORIA Una vez ms, a Sheila con amor
- 7. PREFACIO Esta nueva edicin de Dispositivos Electrnicos ha
sido revisada con sumo cuidado para hacer el texto ms fluido, ms
claro y amplio: se han incorporado muchas recomendaciones de
revisores y usuarios, y se abordan los dispositivos y circuitos
electrnicos, incluida una extensa solucin de fallas y aplicaciones.
Los captulos del 1 al 11 estn dedicados esencialmente a
dispositivos y circuitos discretos; los captulos del 12 al 18 se
ocupan principalmente de circuitos integrados li- neales. Se
incluyen extensos ejercicios y problemas, muchos de ellos resueltos
por medio de simulacin de circuitos Multisim, diseados para el
conocimiento de los estudiantes de la teora de circuitos y para
desarrollar habilidades de solucin de fallas y medicin. Los
archivos de cir- cuitos Multisim en versiones 8 y 9 se encuentran
en el CD-ROM incluido con este libro. Versiones ms recientes de
estos archivos se pondrn en el sitio Web
www.pearsoneducacion.net/floyd a medida que estn disponibles. Lo
nuevo en esta edicin Caracterstica de actividad de aplicacin Esta
seccin sustituye a la de Aplicaciones de sis- tema y aparece al
final de la mayora de los captulos. Muchas actividades nuevas se
presentan en un formato de instructivo que es fcil seguir. Los
estudiantes pueden construir y probar circuitos similares a los
introducidos en las Actividades de aplicacin. Cada Actividad de
aplicacin con- duce al lector a travs del proceso de especificacin,
simulacin, diseo de prototipos, prueba y terminacin de un circuito
en el contexto de un sistema prctico. Caracterstica de diseo
analgico programable Esta nueva seccin, opcional, despus de la
Actividad de aplicacin en los captulos 12 a 16, introduce la puesta
en ejecucin de circuitos analgicos mediante la programacin de chips
de circuitos integrados conocidos como redes ana- lgicas
programables de campo (FPAAs, por sus siglas en ingls) o
procesadores de seales analgicas dinmicamente programables (dpASPs,
tambin por sus siglas en ingls). Esta seccin tambin est vinculada
al manual de laboratorio. Amplificadores Clase D La cobertura de
amplificadores ahora incluye el amplificador lineal clase D. Se
analizan los fundamentos de la modulacin mediante ancho de pulso
para sentar las bases para el conocimiento de esta importante clase
de amplificador. Circuitos de conmutacin analgico a digital Los
conmutadores analgicos se utilizan mucho en sistemas de adquisicin
de datos, en los cuales las seales analgicas se transforman a
digital y en circuitos conmutados por capacitor utilizados en
circuitos integrados programables. Se in- troducen los fundamentos
tanto de conmutacin analgica como de compuertas lgicas digitales.
Cobertura ampliada Numerosos temas, incluidos los LEDs de alta
intensidad utilizados en grandes pantallas de colores, faros
automotrices y semforos, han sido ampliados o revisados. Asimismo,
los diodos zener y la polarizacin mediante transistores se
encuentran entre los temas que han sido reescritos o revisados. Por
otra parte, en muchos captulos se han agregado proble- mas y hay
varios ejemplos nuevos, incluyendo algunos sobre anlisis mediante
computadora. Examen verdadero/falso Al final de todos los captulos
se agreg este examen. Notas al margen Las notas histricas, las
notas tcnicas y las notas de seguridad forman par- te de esta nueva
edicin.
- 8. VI PREFACIO Diapositivas PowerPoint Est disponible un
conjunto completamente nuevo y exclusivo de diapositivas en
PowerPoint, desarrolladas por Dave Buchla. Estas innovadoras
diapositivas interac- tivas (en ingls) corresponden al texto de
cada captulo y constituyen una excelente herramienta pa- ra
presentaciones en el aula. Caractersticas sobresalientes La seccin
de apertura de cada captulo incluye un esquema del captulo, los
objetivos de ste, una lista de trminos clave, la vista preliminar
de una actividad de aplicacin, una re- ferencia a un sitio Web y
una introduccin. Una breve introduccin y los objetivos de cada
seccin dentro del captulo. Abundantes ejemplos resueltos, cada uno
con un problema relacionado similar al ilustrado en el ejemplo. Al
final del captulo estn las respuestas a esos problemas. El CD-ROM
incluido contiene archivos de circuitos Multisim para ejemplos
selecciona- dos, solucin de fallas y problemas (todo en ingls). Al
final de cada seccin aparecen preguntas de repaso de la seccin. Las
respuestas se en- cuentran al final del captulo. En muchos captulos
aparece una seccin completamente dedicada a la solucin de fallas.
Una actividad de aplicacin al final de la mayora de los captulos.
Al final de algunos captulos la parte de diseo analgico programable
proporciona una in- troduccin opcional a dispositivos analgicos
programables y software. Al final de cada captulo encontrar un
resumen por secciones, un glosario de trminos cla- ve, una lista de
frmulas clave, un examen del tipo verdadero/falso, un examen de
accin de circuito, una autoevaluacin por secciones y un conjunto de
problemas por secciones. El conjunto de problemas al final de cada
captulo est organizado en problemas bsicos y avanzados.
Adicionalmente, muchos captulos incluyen categoras de hojas de
datos, acti- vidad de aplicacin y problemas de solucin de fallas
resueltos con Multisim. Cambios con relacin a la edicin anterior
Algunos temas fueron cambiados de lugar para proporcionar una
disposicin ms lgica y un me- jor flujo del material. El captulo
sobre amplificadores de potencia sigue al de amplificadores de BJT
(captulo 6). El tema de redes analgicas programables ahora aparece
en la nueva parte op- cional Diseo Analgico Programable, al final
de ciertos captulos. Los dispositivos obsoletos se actualizaron u
omitieron en el texto. Recursos para el estudiante Sitio Web
Companion (www.pearsoneducacion.net/floyd) Este sitio Web ofrece a
los es- tudiantes un estudio en lnea referente a la comprensin
conceptual de temas clave, as como exmenes de opcin mltiple, de
falso/verdadero, y otros apoyos didcticos. CD-ROM Multisim Cada
libro de texto incluye este CD, con material en ingls, con cir-
cuitos de simulacin en Multisim 8 y 9 para ejemplos seleccionados,
secciones de solucin de problemas y problemas seleccionados en el
texto. Estos circuitos se crearon para usarse con software
Multisim. En electronicsworkbench.com est disponible una descarga
gratuita de ese software. Multisim est considerado como una
excelente herramienta de simulacin de circuitos de aprendizaje
tanto para el saln de clases como para el laboratorio. Sin embargo,
ninguna par- te del libro depende de Multisim o de los archivos
provistos. Estos archivos se proporcionan para aquellos que deciden
utilizar el programa Multisim.
- 9. PREFACIO VII Recursos para el instructor Para acceder a los
materiales en lnea que se mencionan enseguida, los instructores
tienen que so- licitar una clave de acceso. En el sitio Web de este
libro (www.pearsoneducacion.net/floyd), seleccione el vnculo
Recursos para el profesor; vaya al Intructor Resource Center y
luego haga clic en el vnculo para nuevos instructores; o bien,
contacte a su representante de Pearson Educacin. Cabe mencionar que
todos estos apoyos se encuentran en ingls. Manual de recursos del
instructor Incluye soluciones a problemas de cada captulo. Re-
sultados de la actividad de aplicacin, resumen de circuitos de
archivo Multisim y archivo de elemento a ser probado. Tambin se
incluyen soluciones del manual de laboratorio. Diapositivas en
PowerPoint Esta novedosa presentacin interactiva de diapositivas en
PowerPoint para cada captulo del libro constituye un suplemento muy
efectivo para las con- ferencias en el saln de clases. Incluye
todas las figuras del texto. TestGen Es un banco de exmenes con ms
de 800 preguntas. Novedades en los captulos Seccin de apertura del
captulo Cada captulo inicia con una pgina de apertura, como muestra
la figura P-1, donde se presenta una introduccin al captulo, con
una lista de las seccio- nes que lo componen y sus objetivos,
trminos clave, un ejemplo de actividad de aplicacin y una
referencia al sitio Web para ayudas de estudio asociados. Apertura
de seccin Cada seccin inicia con una breve introduccin y una lista
de objetivos. La figura P-2 muestra un ejemplo. Repaso de seccin
Cada seccin termina con una revisin compuesta de preguntas que
resal- tan los conceptos principales presentados en ella. Esta
caracterstica tambin se ilustra en la figu- ra P-2. Las respuestas
a estos repasos se encuentran al final del captulo. Ejemplos
resueltos, problemas relacionados y ejercicios Multisim Numerosos
problemas resueltos a lo largo de cada captulo ilustran y
clarifican los conceptos bsicos o procedimientos especficos. Cada
ejemplo concluye con un problema relacionado que refuerza o ampla
el ejem- plo al requerir que el estudiante resuelva un problema
similar al del ejemplo. Estos ejemplos se- leccionados incluyen un
ejercicio Multisim relacionado con un archivo del CD-ROM que
contiene el circuito ilustrado en el ejemplo. La figura P-3 muestra
un ejemplo tpico junto con un problema relacionado. Las respuestas
a estos problemas relacionados se encuentran al final del captulo.
Seccin de solucin de fallas Muchos captulos incluyen una seccin de
solucin de fallas re- lacionada con los temas abordados en el
captulo y que ilustra procedimientos y tcnicas para su solucin.
Esta seccin tambin proporciona ejercicios para solucin de fallas
con Multisim. Actividad de aplicacin Se encuentra despus de la
ltima seccin en la mayora de los cap- tulos y est identificada por
un diseo grfico especial. Presenta una aplicacin prctica de los
dispositivos o circuitos estudiados en el captulo, en donde el
estudiante aprende a utilizar el dis- positivo o circuito especfico
y es guiado a travs de la especificacin de diseo, simulacin, diseo
de prototipos, implementacin y prueba de tarjetas de circuito. La
figura P-4 muestra una actividad de aplicacin tpica. Las
actividades de aplicacin son opcionales; la omisin de algu- nas, o
todas ellas, no afecta la comprensin del contenido. El manual de
recursos del instructor ofrece los resultados de las actividades de
aplicacin.
- 10. VIII PREFACIO FIGURA P1 Una apertura de captulo tpica.
FIGURA P2 Una apertura y repaso de seccin tpicos. Lista de desempeo
basada en los objetivos del captulo Descripcin previa de la
actividad de aplicacin Introduccin Esquema del captulo Trminos
clave Al final de cada seccin aparece un repaso El prrafo de
introduccin inicia cada seccin Desempeo basado en los objetivos de
la seccin Referencia a sitio Web 2APLICACIONES DEL DIODO ESQUEMA
DEL CAPTULO 21 Rectificadores de media onda 22 Rectificadores de
onda completa 23 Filtros y reguladores de fuentes de alimentacin 24
Circuitos limitadores y sujetadores con diodos 25 Multiplicadores
de voltaje 26 Hoja de datos de los diodos 27 Solucin de fallas
Actividad de aplicacin OBJETIVOS DEL CAPTULO Explicar y analizar la
operacin de rectificadores de media onda Explicar y analizar la
operacin de rectificadores de onda completa Explicar y analizar la
operacin y las caractersticas de filtros y reguladores de fuentes
de alimentacin Explicar y analizar la operacin de circuitos
limitadores y sujetadores con diodos Explicar y analizar la
operacin de multiplicadores de voltaje con diodos Interpretar y
utilizar una hoja de datos de un diodo Solucin de fallas de fuentes
de potencia y circuitos de diodo TRMINOS CLAVE VISITE EL SITIO WEB
COMPANION Recursos de apoyo para el estudio de captulo estn
disponibles en http://www.pearsoneducacion.net/floyd INTRODUCIN En
el captulo 1 aprendi que un diodo semiconductor es un dispositivo
con una sola unin pn. La importancia del diodo en circuitos
electrnicos no se puede exagerar. Su capacidad de conducir
corriente en una direccin, al tiempo que la bloquea en la otra, es
esencial para la operacin de muchos tipos de circuitos. Un circuito
en particular es el rectificador de ca, que este captulo aborda.
Otras aplicaciones importantes son circuitos tales como
limitadores, sujetadores y multiplicadores de voltaje, todos con
diodos. Finalmente, este captulo analiza la hoja de datos de
algunos diodos. AVANCE DE LA ACTIVIDAD DE APLICACIN Se le asigna la
responsabilidad del diseo final y la prueba de un circuito de una
fuente de alimentacin que su compaa planea utilizar en varios de
sus productos. Usted deber aplicar su conocimiento de circuitos con
diodos a esta actividad de aplicacin al final del captulo. Fuente
de alimentacin de cd Rectificador Filtro Regulador Rectificador de
media onda Voltaje de pico inverso (PIV) Rectificador de onda
completa Voltaje de rizo Regulacin de lnea Regulacin de carga
Limitador Sujetador Solucin de fallas SOLUCIN DE FALLAS 467 1.
Describa un inversor CMOS bsico. 2. Qu tipo de circuito CMOS
digital de 2 entradas tiene una baja salida slo cuando ambas
entradas son altas? 3. Qu tipo de circuito CMOS digital de 2
entradas tiene una salida alta slo cuando ambas entradas son bajas?
REPASO DE LA SECCIN 9-6 97 SOLUCIN DE FALLAS Un tcnico que entiende
los fundamentos de operacin de un circuito y que es capaz, si es
necesario, de realizar un anlisis bsico de un circuito dado es
mucho ms valioso que uno que se limita a realizar procedimientos de
prueba de rutina. En esta seccin se ver como se prueba una tarjeta
de circuito de la que se tiene slo un esquema sin ningn
procedimiento de prueba ni niveles de voltaje especificados. En
este caso, el conocimiento bsico de cmo opera el circuito y la
habilidad de analizarlo son tiles. Al terminar esta seccin, usted
ser capaz de: Solucionar fallas de amplificadores basados en FET
Solucionar fallas de un amplificador en fuente comn de dos etapas
Relacionar un diagrama esquemtico con una tarjeta de circuito
Suponga que le dan una tarjeta de circuito que contiene un
amplificador de audio y que sim- plemente le dicen que no funciona
bien. El circuito es un amplificador basado en FET de dos eta- pas,
como muestra la figura 9-46. +12 V R5 1.5 k R6 240 C4 R4 10 M Vsal
R2 1.5 k R3 240 R1 10 M Q1Vent Q2 C5 C2 100 F 100 F 10 F 0.1 F C1
0.1 F C3 FIGURA 946 Circuito amplificador con FET de dos etapas.
embalamiento trmico a causa de su coeficiente de temperatura
negativo. El MOSFET, sin em- bargo, es controlado por voltaje y su
coeficiente de temperatura es positivo, lo que evita el emba-
lamiento trmico. El MOSFET enciende ms rpido que el BJT y, cuando
est encendido, su baja resistencia produce prdidas de potencia en
estado de conduccin ms bajas que los BJT. Se uti- lizan MOSFET de
potencia para el control de motores elctricos, conversin de cd a
ca, conversin de cd a cd, conmutacin de carga y otras aplicaciones
que requieren alta corriente y un control digital preciso.
- 11. PREFACIO IX FIGURA P3 Un ejemplo tpico con un problema
relacionado y un ejercicio resuelto con Multisim. Los ejemplos estn
separados del texto Cada ejemplo contiene un problema relacionado
pertinente al ejemplo Los ejemplos seleccionados incluyen un
ejercicio Multisim coordinado con el CD-ROM que acompaa al libro de
texto 224 CIRCUITOS DE POLARIZACIN DE TRANSISTORES Determine VCE e
IC en el circuito de transistor polarizado con divisor de voltaje
rgido de la figura 5-10 si bCD 100. EJEMPLO 52 RC 1.0 k VCC +10 V
R1 10 k RE 560 R2 5.6 k FIGURA 510 Solucin El voltaje en la base es
Por lo tanto, y Por consiguiente, y Problema relacionado Si el
divisor de voltaje de la figura 5-10 no fuera rgido, cmo se vera
afectado VB? Abra el archivo Multisim E05-02 de la carpeta Examples
del CD-ROM. Mida IC y VCE. Sus resultados debern concordar ms
estrechamente con los del problema relacionado que con aqullos
correspondientes al ejemplo. Puede explicar esto? VCE = VC - VE =
4.84 V - 2.89 V = 1.95 V VC = VCC - ICRC = 10 V - (5.16 mA)(1.0 k)
= 4.84 V IC IE = 5.16 mA IE = VE RE = 2.89 V 560 = 5.16 mA VE = VB
- VBE = 3.59 V - 0.7 V = 2.89 V VB a R2 R1 + R2 bVCC = a 5.6 k 15.6
k b10 V = 3.59 V El anlisis bsico desarrollado en el ejemplo 5-2 es
todo lo que se requiere para la mayora de los circuitos de divisor
de voltaje, pero puede haber casos en los que se necesite analizar
el cir- cuito con ms precisin. Idealmente, un circuito divisor de
voltaje es rgido, lo que implica que el transistor no aparece como
una carga significativa. El diseo de cualquier circuito implica in-
tercambios; uno de ellos es que los divisores de voltaje rgidos
requieren resistores ms peque- Entonces, Con VC y VE conocidos, se
determina VCE. VCE = VC - VE VC VCC ICRCEcuacin 54 FIGURA P4 Parte
de una seccin de actividad de aplicacin tpica. Actividad de
aplicacin: Control de velocidad de un motor En esta aplicacin, un
SCR y un PUT se utilizan para controlar la velocidad del motor de
una banda transportadora. El circuito controla la velocidad de la
banda transportadora de tal suerte que un nmero de piezas
aleatoriamente separadas entre s pasen un punto de la lnea de
produc- cin en un lapso de tiempo especificado. Esto permite una
adecuada cantidad de tiempo para que los operarios de la lnea de
produccin realicen ciertas tareas en cada pieza. En la figura 11-45
se muestra un diagrama bsico del sistema de control de velocidad de
la banda transportadora. Manos a la obra Motor Circuitos de proce-
samiento Detector infrarrojo Haz infrarrojo Emisor infrarrojo
Circuito de control de velocidad del motor elctrico 120 Vca Motor
elctrico FIGURA 1145 Diagrama de bloques del sistema de control de
velocidad de una banda transportadora. Cada vez que una pieza
colocada sobre la banda transportadora pasa frente al detector
infra- rrojo e interrumpe el haz, un contador digital en los
circuitos de procesamiento incrementa en uno. El conteo de las
piezas que pasan se acumula durante un lapso de tiempo especificado
y los circuitos de procesamiento lo convierten en un voltaje
proporcional. Mientras ms piezas pasen frente el detector
infrarrojo durante el lapso de tiempo especificado, ms alto es el
volta- je. El voltaje proporcional se aplica al circuito de control
de velocidad del motor el que, a su vez, ajusta la velocidad del
motor elctrico que impulsa la banda transportadora para mantener el
nmero de piezas deseado en un lapso de tiempo especificado.
Circuito de control de velocidad del motor elctrico El voltaje
proporcional producido por los circuitos de procesamiento se aplica
a la compuerta de un PUT. Este voltaje determina el punto en el
ciclo de ca donde el SCR se dispara. Con un voltaje ms alto en la
compuerta del PUT, el SCR se enciende ms tarde en el semiciclo y
por consiguiente aporta menos potencia promedio al motor, para
reducir su velocidad. Con un vol- taje en la compuerta del PUT
bajo, el SCR se enciende ms pronto en el semiciclo y aporta ms
potencia promedio al motor, incrementando su velocidad. Este
proceso ajusta continuamente la velocidad del motor para mantener
el nmero de partes por unidad de tiempo que pasan por la
transportadora. Se utiliza un potencimetro para calibrar el punto
de disparo del SCR. En la fi- gura 11-46 se muestra el circuito de
control de velocidad del motor. (a) Circuito de control de
velocidad del motor (b) Voltaje a travs del SCR con Vcont = 12 V
FIGURA 1148 Resultados de la simulacin del circuito de control de
velocidad del motor. 4. En la pantalla del osciloscopio mostrado en
la figura 11-48 identifique cuando el SCR est conduciendo. 5. Si el
voltaje de control se reduce, conducir ms o menos el SCR? 6. Si el
voltaje de control se reduce, se incrementar o reducir la velocidad
del motor? La figura 11-49 muestra los resultados de variar
Vcontrol. Se puede ver que el voltaje de con- trol se reduce y el
SCR conduce durante ms del ciclo y, consecuentemente, suministra ms
potencia al motor para incrementar su velocidad. Simule el circuito
de control de velocidad del motor con Multisim. Observe cmo cambia
el voltaje en el SCR con los cambios de Vcontrol. Diseo y prueba de
un prototipo Ahora que el circuito ha sido simulado, se construye y
prueba el circuito prototipo. Una vez que el circuito se prueba con
xito en una tarjeta prototipo, est listo para ser utilizado en una
tarjeta de circuito impreso. Responda las siguientes preguntas
valindose de la hoja de datos parcial de la figura 11-47. Si no
aparece informacin suficiente en estas hojas de datos, dirjase a
onsemi.com y descar- gue la hoja u hojas de datos completas. 1.
Cunto voltaje pico puede soportar el SCR en el estado de apagado?
2. Cul es la corriente mxima en el SCR cuando se enciende? 3. Cul
es la disipacin de potencia mxima del PUT? Simulacin El circuito de
control de velocidad del motor se simula en Multisim con una carga
resistiva/in- ductiva en lugar el motor y una fuente de voltaje de
cd en lugar de la entrada del circuito de procesamiento, como
muestra la figura 11-48. El diodo se coloca a travs del motor con
fines de supresin transitoria. Simulacin Actividad resuelta con
Multisim
- 12. X PREFACIO Elementos al final de cada captulo Los
siguientes elementos pedaggicos se encuentran al final de la mayora
de los captulos: Resumen Glosario de trminos clave Frmulas clave
Examen de verdadero/falso Examen de accin de circuito Autoevaluacin
Problemas bsicos Problemas avanzados Problemas resueltos con la
hoja de datos (captulos seleccionados) Problemas de actividad de
aplicacin (muchos captulos) Problemas de solucin de fallas con
Multisim (la mayora de los captulos) Respuestas al repaso de seccin
Respuestas a los problemas relacionados con ejemplos Respuestas al
examen de verdadero/falso Respuestas al examen de accin de circuito
Respuestas a la autoevaluacin Sugerencias para el uso de este libro
de texto Como se mencion, este libro se ocupa de dispositivos y
circuitos discretos en los captulos 1 a 11 y de circuitos
integrados en los captulos 12 a 18. Opcin 1 (dos semestres) Los
captulos 1 a 11 pueden ser cubiertos en el primer semestre. Se- gn
las preferencias individuales y el nfasis puesto en el programa
puede requerirse una cober- tura selectiva. Los captulos 12 a 18
pueden ser cubiertos en el segundo semestre, y de igual forma,
puede requerirse una cobertura selectiva. Opcin 2 (un semestre) Si
se omiten ciertos temas y se mantiene una rigurosa programacin,
este libro puede ser utilizado en cursos de un semestre. Por
ejemplo, un curso que comprenda slo dispositivos y circuitos
discretos utilizara los captulos 1 a 11, pero slo de manera
selectiva. Asimismo, un curso que slo requiriera cubrir circuitos
integrados podra utilizar slo los ca- ptulos 12 a 18. Otro enfoque
es una cobertura muy selectiva de los temas de dispositivos y cir-
cuitos discretos seguida por una cobertura limitada de circuitos
integrados (slo amplificadores operacionales, por ejemplo). Para el
estudiante Cuando inicie un captulo, estudie una seccin hasta que
la entienda; slo entonces contine con la siguiente. Lea cada seccin
y estudie minuciosamente las ilustraciones relacionadas, piense en
el material, trabaje a travs de cada ejemplo paso a paso, resuelva
el problema relacionado y verifi- que su respuesta, luego responda
cada pregunta en el repaso de seccin y verifique sus respuestas al
final del captulo. No espere que cada concepto quede claro despus
de una sola lectura; puede tener que leer el material dos o incluso
tres veces. Una vez que piense que ya entendi el mate- rial, repase
el resumen del captulo, la lista de frmulas clave y las
definiciones de trminos cla-
- 13. PREFACIO XI ve al final de captulo. Resuelva el examen de
verdadero/falso, el examen de accin de circuito y la autoevaluacin.
Por ltimo, resuelva los problemas asignados que aparecen al final
del captulo. Resolver estos problemas es quiz la forma ms
importante de comprobar y reforzar su compren- sin del captulo. Si
resuelve los problemas adquirir un nivel adicional de percepcin y
conoci- miento y desarrollar un pensamiento lgico que la lectura o
las conferencias en el saln de clases no son capaces de
proporcionar. En general, no es posible comprender a cabalidad un
concepto o procedimiento simplemente con mirar o escuchar a
alguien. Slo el trabajo duro y el pensamiento crtico producirn los
re- sultados que espera y merece. Hitos en el campo de la
electrnica Antes de iniciar el estudio de dispositivos electrnicos,
veremos un breve repaso de algunos de los desarrollos ms
importantes que condujeron a la tecnologa electrnica actual. Los
nombres de muchos de los pioneros en el campo de la electricidad
perduran en unidades conocidas: Ohm, Ampere, Volta, Farad, Henry,
Coulomb, Oested y Hertz, son algunos de los ejemplos ms cono- cidos
con los que ya se est familiarizado; otros ms ampliamente conocidos
como Franklin y Edison tambin son significativos en la historia de
la electricidad y el magnetismo gracias a sus importantsimas
contribuciones. Se incluyen biografas breves de algunas figuras
importantes en la historia de la electrnica. Los primeros
experimentos de electrnica implicaron corrientes elctricas en tubos
de vaco. Heinrich Geissler (1814-1879) extrajo la mayor parte del
aire de un tubo de vidrio y encontr que el tubo brillaba cuando
circulaba corriente a travs de l. Posteriormente, Sir William
Crookes (1832-1919) encontr que la corriente en tubos de vaco
pareca estar compuesta de partculas. Thomas Edison (1847-1931)
experiment con bulbos de filamento de carbn con laminillas y
descubri que circulaba corriente desde el filamento caliente hasta
una laminilla positivamente cargada. Patent la idea pero nunca la
utiliz. Otros experimentadores pioneros midieron las propiedades de
las partculas que fluan en el interior de tubos de vaco. Sir Joseph
Thompson (1856-1940) midi las propiedades de estas par- tculas, ms
tarde llamadas electrones. Aunque la comunicacin telegrfica
inalmbrica se remonta a 1844, la electrnica es esencial- mente un
concepto del siglo XX que se inici con la invencin del amplificador
de tubo de vaco. Un tubo de vaco que permita corriente en slo una
direccin fue construido por JohnA. Fleming en 1904; conocido como
vlvula Fleming, fue el antecesor de los diodos de tubo de vaco. En
1901, Lee DeForest le agreg una rejilla. El nuevo dispositivo,
llamado audiotrn, era capaz de amplificar una seal dbil. Con la
adicin del elemento de control, DeForest encabez la revolu- cin
electrnica. Fue una versin mejorada de su dispositivo la que hizo
posible el servicio tele- fnico transcontinental y los radios. Ya
en 1912 un radioaficionado en San Jos, California, transmita msica
con regularidad! En 1921, el secretario de comercio, Herbert
Hoover, emiti la primera licencia para una esta- cin de radio;
dentro de un periodo de dos aos se emitieron ms de 600 licencias. A
finales de la dcada de 1920, en muchos hogares haba radios. Un
nuevo tipo de radio, el superheterodino, in- ventado por Edwin
Armstrong, resolvi los problemas de comunicacin a alta frecuencia.
En 1923, Vladimir Zworykin, un investigador estadounidense, invent
el primer cinescopio y en 1927 Philo T. Farnsworth solicit una
patente para un sistema de televisin completo. La dcada de 1930
atestigu muchos desarrollos en radio, incluidos los tubos de metal,
el con- trol de ganancia automtico, los radios miniatura y las
antenas direccionales. Tambin en esta dcada se inici el desarrollo
de las primeras computadoras electrnicas. Las computadoras mo-
dernas remontan sus orgenes al trabajo de John Atanasoff en la
Universidad Estatal de Iowa. A principios de 1937 imagin una mquina
binaria capaz de realizar trabajo matemtico complejo. Alrededor de
1939, l y el estudiante graduado Clifford Berry construyeron una
mquina binaria llamada ABC (Por Atanasoff-Berry Computer) que
utilizaba tubos de vaco para la lgica y con- densadores
(capacitores) para la memoria. En 1939, el magnetrn, un oscilador
de microondas, fue inventado en Gran Bretaa por Henry Boot y John
Randall. En el mismo ao, el tubo de mi- croondas klystron fue
inventado en Estados Unidos por Russell y Sigurd Varian. Thomas
Alva Edison 1847-1931 Nacido en Milan, Ohio, Thomas Edison ha sido
el inventor ms prolfico de todos los tiempos. Se le acreditan 1093
patentes y es la nica persona en tener por lo menos una patente
cada ao durante 65 aos consecutivos. Las invenciones y empresas de
Edison pertenecen a muchos campos tecnolgicos. Una de sus famosas
invenciones, el foco incandescente, fue introducida en 1879. A
Edison se le acredita el descubrimiento del efecto de diodo
mientras trabajaba con tubos de vaco para el foco incandescente. La
mayor parte de su trabajo fue realizado en su laboratorio en West
Orange, NJ. Tambin mantena un laboratorio en su casa de invierno en
Fort Myers, Florida, el cual estaba dedicado principalmente al
desarrollo de hule sinttico mediante la planta vara dorada (Crdito
de la foto: Biblioteca del Congreso). B I O G R A F A
- 14. XII PREFACIO En la dcada de 1940, la Segunda Guerra Mundial
motiv rpidos avances en electrnica. El magnetrn y el klystron
hicieron posible el radio y las comunicaciones a frecuencias muy
altas. Los tubos de rayos catdicos fueron mejorados para usarlos en
el radar. El trabajo de investigacin de la computadora continu
durante la guerra. Alrededor de 1946, John von Neumann desarroll la
primera computadora de programa guardado, la ENIAC, en la
Universidad de Pennsylvania. Uno de los hechos ms significativos en
la historia de la electrnica ocurri en 1947, cuando Walter
Brattain, John Bardeen y William Shockley inventaron el transistor,
por el que los tres ganaron premios Nobel. Las tarjetas de CI
(circuito impreso) tambin fueron introducidas en 1947. La fa-
bricacin comercial de transistores arranc en 1951 en Allentown,
Pennsylvania. La invencin ms significativa de la dcada de 1950 fue
el circuito integrado: el 12 de septiem- bre de 1958, Jack Kilby,
en Texas Instruments, elabor el primero de ellos (figura P-5), por
el cual le fue otorgado el premio Nobel en el otoo de 2000. Esta
invencin literalmente cre la era de la computadora moderna y dio
lugar a cambios arrolladores en la medicina, las comunicacio- nes,
los procesos de manufactura y la industria del entretenimiento.
Muchos miles de millones de chips a los cuales se los llam
circuitos integrados han sido fabricados desde entonces. La dcada
de 1950 dio paso al inicio de la carrera espacial, lo que incentiv
la miniaturizacin de componentes y el desarrollo de las
computadoras. La carrera espacial fue la fuerza propulsora detrs de
los rpidos cambios que sobrevinieron en la electrnica. El primer
amplificador opera- cional exitoso fue diseado por Bob Widlar, en
Fairchild Semiconductor, en 1965. Llamado el Lee DeForest 1873-1961
Nacido en Iowa, Lee DeForest se convirti en inventor mientras
trabajaba para sufragar sus gastos universitarios. Se gradu de Yale
en 1899 con un doctorado. Su tesis doctoral, Reflexin de las ondas
hertzianas a partir de las puntas de dos alambres paralelos, fue el
inicio de su larga carrera en radio. Su invencin del trodo de tubo
de vaco utilizado en amplificacin (amplificador de audio) fue la ms
importante de sus ms de 300 invenciones. (Crdito de la foto: The
Nacional Cyclopedia of American Biography, cortesa de AIP Emilio
Segr Visual Archives, T. J. J. Vea la coleccin). B I O G R A F A
John Bardeen 1908-1991 Ingeniero electricista y fsico nacido en
Madison, Wisconsin, el Dr. Bardeen estuvo en el cuerpo de
profesores de la Universidad de Minnesota desde 1938 hasta 1941 y
como fsico en el Naval Ordinance Lab desde 1941 hasta 1945. Luego
se uni a Bell Labs, donde permaneci hasta 1951. Algunos de sus
campos de inters fueron la conduccin en semiconductores y metales,
propiedades superficiales de los semiconductores y la
superconductividad. Mientras se encontraba en los Bell Labs invent
el transistor conjuntamente con sus colegas Walter Brattain y
William Shockley. Despus de dejar los Bell Labs en 1951, el Dr.
Bardeen se uni al cuerpo de profesores en la Universidad de
Illinois. (Crdito de la foto: AIP Emilio Segr Visual Archives, W.F.
Meggers Gallery of Nobel Laureates). B I O G R A F A B I O G R A F
A William Shockley 1910-1989 Estadounidense nacido en Londres,
Inglaterra, el Dr. Shockley obtuvo su doctorado en 1936 del M.I.T.
Se uni a los Bell Labs despus de graduarse y permaneci ah hasta
1955. Su nfasis en la investigacin incluy las reas de bandas de
energa en slidos, la teora de tubos de vaco, los fotoelectrones,
los dominios ferromagnticos y la fsica del transistor. Mientras se
encontraba en los Bell Labs, el Dr. Shockley hizo equipo con John
Bardeen y Walter Brattain en la invencin del transistor en 1947.
Despus de dejar los Bell Labs, el Dr. Shockley pas un tiempo en
Beckman Instruments y en la Universidad de Stanford. (Crdito de la
foto: AIP Emilio Segr Visual Archives, Physics Today Collection). B
I O G R A F A Walter H. Brattain 1902-1987 Estadounidense nacido en
China, el Dr. Brattain se uni a los Bell Telephone Laboratorios en
1929. Una de sus principales reas de investigacin fue la de las
propiedades superficiales de los materiales semiconductores. Sus
contribuciones principales fueron el descubrimiento del efecto foto
en la superficie de un semiconductor y la invencin del transistor
de punto de contacto en 1947, el cual invent conjuntamente con John
Bardeen y William Shockley. (Crdito de la foto: AIP Emilio Segr
Visual Archives, W.F. Meggers Gallery of Nobel Laureates).
- 15. PREFACIO XIII mA709, tuvo mucho xito pero se bloqueaba y
experimentaba otros problemas. Ms tarde, el amplificador
operacional ms popular que alguna vez haya habido, el 741, tom
forma en Fair- child. Este amplificador operacional lleg a ser el
estndar de la industria e influy en el diseo de amplificadores
operacionales durante los aos por venir. Las redes de computadoras,
precur- soras de la Internet, aparecieron tambin en la dcada de
1960: sistemas instalados en el Lawrence Livermore Nacional
Laboratory conectaban ms de 100 terminales a un sistema de
computadora (pintorescamente llamado Sistema Octopus). Para 1971,
una nueva compaa que haba sido formada por un grupo de Fairchild
introdujo el primer microprocesador: la compaa fue Intel y el
producto fue el chip 4004, que tena la misma potencia de
procesamiento que la computadora ENIAC. Posteriormente en ese mismo
ao, Intel anunci el primer procesador de 8 bits, el 8008. En 1975,
Altair introdujo la primera computadora personal y la revista
Popular Science la mostr en la portada de la edicin de enero de
1975. La dcada de 1970 presenci, adems, la introduccin de la
calculadora de bolsillo y nuevos desarrollos de circuitos
integrados pticos. En la dcada de 1980, la mitad de los hogares
estadounidenses utilizaba televisin por cable en lugar de antenas
de televisin. La confiabilidad, velocidad y miniaturizacin de la
electrnica continu durante el resto de la dcada, esto incluy la
prueba y calibracin automticas de tarjetas de circuitos impresos.
La computadora lleg a formar parte de la instrumentacin y se cre el
instru- mento virtual. Las computadoras llegaron a ser una
herramienta estndar en la mesa de trabajo. Durante la dcada de 1990
se difundi el uso de la Internet. En 1993 haba 130 sitios Web; al
inicio del nuevo siglo (en 2001) haba ms de 24 millones. Las
compaas se esforzaban por es- tablecer su pgina de inicio y muchos
de los primeros desarrollos de la transmisin por radio tenan algo
en comn con la Internet: el intercambio de informacin y el comercio
electrnico estimu- laron el tremendo crecimiento econmico de esa
dcada. La Internet lleg a ser especialmente importante para
cientficos e ingenieros, convirtindose en una las herramientas de
comunicacin cientfica ms importantes jams desarrolladas. En 1995,
la FCC asign espacio espectral para un nuevo servicio llamado
Servicio de Radio de Audio Digital. Estndares de televisin digital
fueron adoptados en 1996 por la FCC para la siguiente generacin de
televisoras de la nacin. A finales del siglo XX, los historiadores
no se daban abasto. Como una persona lo plante, Estoy de acuerdo
con las nuevas tecnologas, pero me gustara que permitieran a las
viejas desgastarse primero. Durante el inicio del siglo XXI, el
principal acontecimiento en este campo fue el crecimiento explosivo
y continuo de la Internet; poco despus, los cientficos planeaban ya
un nuevo sistema de supercomputadoras que pondr al alcance de todo
mundo cantidades masivas de informacin en una red de computadoras.
La nueva red de datos internacional ser un recurso incluso ms
grande que la Red Mundial, lo que permitira a las personas la
capacidad de tener acceso a enor- mes cantidades de informacin y
los recursos para ejecutar simulaciones en una supercomputa- dora.
La investigacin en el siglo XXI contina a lo largo de lneas de
circuitos ms rpidos y pequeos que utilizan tecnologas nuevas.
Reconocimientos Muchas personas capaces contribuyeron a la octava
edicin de Dispositivos Electrnicos. Ha sido minuciosamente revisada
y verificada tanto en lo que respecta a contenido como en cuanto a
precisin. Aquellos en Prentice Hall que contribuyeron en gran
medida a este proyecto a lo lar- go de muchas fases de desarrollo y
produccin incluyen a Rex Davidson, Lara Dimmick y Vern Anthony.
Lois Porter una vez ms realiz un sobresaliente trabajo al editar el
manuscrito. Dave Jack S. Kilby 1923-2005 Jack Kilby naci en
Missouri y obtuvo ttulos en ingeniera elctrica de la Universidad de
Illinois y la Universidad de Wisconsin. En 1958, se uni a Texas
Instruments en Dallas. Al ao de haber llegado a TI desarroll el
circuito integrado monoltico y el resto es historia. Por las mismas
fechas Robert Noyce de Fairchild Semiconductor por su parte
desarroll un circuito integrado. A ambos hombres se les acredita la
invencin. (Crdito de la foto: Cortesa de Texas Instruments). B I O
G R A F A FIGURA P5 El primer circuito integrado (Cortesa de Texas
Instruments)
- 16. XIV PREFACIO Buchla realiz una revisin completa, rengln por
rengln, del manuscrito y contribuy extensa- mente en el contenido
del libro, lo que ayud a hacer de esta edicin la mejor de todas.
Gary Snyder cre los archivos de circuito para Multisim en esta
edicin. Una nota de reconocimiento va para Evan Robinson, Erik
Luther y Shekhar Sharad de Electronics Workbench por sus contri-
buciones al contenido de Multisim. Deseo expresar mi gratitud a
aquellos que ya mencion as como a los revisores que aportaron
muchas sugerencias valiosas y crticas constructivas que influyeron
en gran medida en esta edi- cin. Estos revisores son William Dolan,
Kennebec Valley Community Collage; John Duncan, Kent State
University; Art Eggers, Community Collage of Southern Nevada; Paul
Garrett, ITT Technical Institute; Mark Hughes, Cleveland Community
Collage; Lisa Jones, Southwest Ten- nessee Community Collage; Max
Rabiee, University of Cincinnatti y Jim Rhodes, Blue Ridge
Community College. Tom Floyd
- 17. RESUMEN DE CONTENIDO 13 Circuitos bsicos con amplificadores
operacionales 657 14 Circuitos basados en amplificadores
operacionales para propsitos especiales 709 15 Filtros activos 755
16 Osciladores 799 17 Reguladores de voltaje 845 18 Comunicaciones
885 APNDICES A Tabla de valores de resistores estndar 933 B
Derivaciones de ecuaciones seleccionadas 934 C Simulacin de
circuitos y diseo de prototipos con MULTISIM y NI ELVIS 947 D
Solucin del ejemplo 9-3 con la calculadora TI-89 953 Respuestas a
problemas con nmero impar 955 Glosario 969 ndice 975 1 Introduccin
a los semiconductores 1 2 Aplicaciones del diodo 45 3 Diodos para
propsito especial 106 4 Transistores de unin bipolar 163 5
Circuitos de polarizacin de transistores 216 6 Amplificadores con
BJT 256 7 Amplificadores de potencia 322 8 Transistores de efecto
de campo (FET) 368 9 Amplificadores basados en FET y circuitos de
conmutacin 436 10 Respuesta en frecuencia de un amplificador 492 11
Tiristores 553 12 El amplificador operacional 592
- 18. CONTENIDO 5 Circuitos de polarizacin de transistores 216 51
El punto de operacin en cd 217 52 Polarizacin por medio de un
divisor de voltaje 223 53 Otros mtodos de polarizacin 229 54
Solucin de fallas 236 Actividad de aplicacin 240 6 Amplificadores
con BJT 256 61 Operacin de un amplificador 257 62 Modelos de
transistor en ca 260 63 El amplificador en emisor comn 263 64 El
amplificador en colector comn 276 65 Amplificador en base comn 283
66 Amplificadores de etapas mltiples 286 67 Amplificador
diferencial 289 68 Solucin de fallas 295 Actividad de aplicacin 299
7 Amplificadores de potencia 322 71 Amplificador de potencia clase
A 323 72 Amplificadores clase B y clase AB push-pull 329 73
Amplificador clase C 340 74 Solucin de fallas 348 Actividad de
aplicacin 351 8 Transistores de efecto de campo (FET) 368 81 El
JFET 369 82 Caractersticas y parmetros del JFET 371 83 Polarizacin
de un JFET 381 84 La regin hmica 392 85 El MOSFET 396 86
Caractersticas y parmetros de MOSFET 401 87 Polarizacin de un
MOSFET 404 88 El IGBT 407 89 Solucin de fallas 409 Actividad de
aplicacin 411 1 Introduccin a los semiconductores 1 11 Estructura
atmica 2 12 Aislantes, conductores y semiconductores 5 13 Corriente
en semiconductores 9 14 Semiconductores tipo N y tipo P 12 15 El
diodo 14 16 Polarizacin de un diodo 17 17 Caracterstica de
voltaje-corriente de un diodo 21 18 Modelos del diodo 25 19 Prueba
de un diodo 31 2 Aplicaciones del diodo 45 21 Rectificadores de
media onda 46 22 Rectificadores de onda completa 52 23 Filtros y
reguladores de la fuente de alimentacin 59 24 Circuitos limitadores
y sujetadores con diodos 65 25 Multiplicadores de voltaje 72 26 La
hoja de datos del diodo 74 27 Solucin de fallas 79 Actividad de
aplicacin 85 3 Diodos para propsito especial 106 31 El diodo zener
107 32 Aplicaciones del diodo zener 114 33 El diodo varactor 122 34
Diodos pticos 126 35 Otros tipos de diodos 139 36 Solucin de fallas
145 Actividad de aplicacin 148 4 Transistores de unin bipolar 163
41 Estructura de un BJT 164 42 Operacin bsica de un BJT 165 43
Caractersticas y parmetros de un BJT 167 44 El BJT como
amplificador 180 45 El BJT como interruptor 182 46 El
fototransistor 185 47 Categoras y encapsulado de transistores 189
48 Solucin de fallas 191 Actividad de aplicacin 198
- 19. XVIII CONTENIDO 9 Amplificadores basados en FET y circuitos
de conmutacin 436 91 Amplificador en fuente comn 437 92
Amplificador en drenaje comn 448 93 Amplificador en compuerta comn
451 94 Amplificador clase D 454 95 Conmutacin analgica mediante un
MOSFET 459 96 Conmutacin digital mediante un MOSFET 464 97 Solucin
de fallas 467 Actividad de aplicacin 470 10 Respuesta en frecuencia
de un amplificador 492 101 Conceptos bsicos 493 102 El decibel 496
103 Respuesta de un amplificador en baja frecuencia 499 104
Respuesta de un amplificador en alta frecuencia 517 105 Respuesta
en frecuencia total de un amplificador 527 106 Respuesta en
frecuencia de amplificadores de etapas mltiples 530 107 Mediciones
de la respuesta en frecuencia 533 Actividad de aplicacin 536 11
Tiristores 553 111 El diodo de 4 capas 554 112 El rectificador
controlado de silicio (SCR) 557 113 Aplicaciones del SCR 562 114 El
diac y el triac 567 115 El interruptor controlado por silicio (SCS)
571 116 El transistor de una sola unin (UJT) 572 117 El transistor
de una sola unin programable (PUT) 577 Actividad de aplicacin 579
12 El amplificador operacional 592 121 Introduccin a los
amplificadores operacionales 593 122 Modos de entrada a un
amplificador operacional y parmetros 595 123 Realimentacin negativa
602 124 Amplificadores operacionales con realimentacin negativa 603
125 Efectos de la realimentacin negativa en las impedancias del
amplificador operacional 608 126 Corriente de polarizacin y
desequilibrio de voltaje 613 127 Respuesta en lazo abierto 616 128
Respuesta en frecuencia en lazo cerrado 622 129 Solucin de fallas
625 Actividad de aplicacin 627 Diseo analgico programable 633 13
Circuitos bsicos con amplificadores operacionales 657 131
Comparadores 658 132 Amplificadores sumadores 669 133 Integradores
y diferenciadores 677 134 Solucin de fallas 684 Actividad de
aplicacin 689 Diseo analgico programable 694 14 Circuitos basados
en amplificadores operacionales para propsitos especiales 709 141
Amplificadores de instrumentacin 710 142 Amplificadores de
aislamiento 716 143 Amplificadores operacionales de
transconductancia (OTA) 721 144 Amplificadores logartmicos y
antilogartmicos 727 145 Convertidores y otros circuitos basados en
amplificadores operacionales 733 Actividad de aplicacin 735 Diseo
analgico programable 741 15 Filtros activos 755 151 Respuestas de
filtros bsicos 756 152 Caractersticas de la respuesta de un filtro
760 153 Filtros pasobajas activos 764 154 Filtros pasoaltas activos
768 155 Filtros pasobanda activos 771 156 Filtros supresores de
banda activos 777 157 Mediciones de la respuesta de un filtro 779
Actividad de aplicacin 781 Diseo analgico programable 786 16
Osciladores 799 161 El oscilador 800 162 Principios del oscilador
con realimentacin 801 163 Osciladores con circuitos con
realimentacin RC 803 164 Osciladores con circuitos con
realimentacin LC 810 165 Osciladores de relajacin 818 166
Temporizador 555 como oscilador 823 Actividad de aplicacin 829
Diseo analgico programable 833 17 Reguladores de voltaje 845 171
Regulacin de voltaje 846 172 Reguladores en serie lineales bsicos
849 173 Reguladores en paralelo lineales bsicos 854 174 Reguladores
de conmutacin bsicos 857 175 Reguladores de voltaje en circuito
integrado 862 176 Aplicaciones de reguladores de voltaje en
circuito integrado 867 Actividad de aplicacin 873
- 20. CONTENIDO XIX 18 Comunicaciones 885 181 Receptores bsicos
886 182 El multiplicador lineal 890 183 Amplitud modulada 894 184
El mezclador 900 185 Demodulacin de AM 903 186 Frecuencia
intermedia y amplificadores de audio 904 187 Frecuencia modulada
907 188 Malla de fase cerrada (PLL) 909 189 Fibra ptica 917
APNDICES A Tabla de valores de resistores estndar 933 B
Derivaciones de ecuaciones seleccionadas 934 C Simulacin de
circuitos y diseo de prototipos con MULTISIM y NI ELVIS 947 D
Solucin del ejemplo 9-3 con la calculadora TI-89 953 Respuestas a
problemas con nmero impar 955 Glosario 969 ndice 975
- 21. 1 INTRODUCCIN A LOS SEMICONDUCTORES ESQUEMA DEL CAPTULO 11
Estructura atmica 12 Aislantes, conductores y semiconductores 13
Corriente en semiconductores 14 Semiconductores tipo N y tipo P 15
El diodo 16 Polarizacin de un diodo 17 Caracterstica de
voltaje-corriente de un diodo 18 Modelos del diodo 19 Prueba de un
diodo OBJETIVOS DEL CAPTULO Analizar la estructura bsica de los
tomos Analizar los aislantes, conductores y semiconductores, y sus
diferencias esenciales Describir cmo se produce la corriente en un
semiconductor Describir las propiedades de semiconductores tipo n y
tipo p Describir un diodo y cmo se forma una unin pn Analizar la
polarizacin de un diodo Analizar la curva caracterstica de
voltaje-corriente (V-I) de un diodo Analizar la operacin de diodos
y explicar los tres modelos de diodo Probar un diodo por medio de
un multmetro digital tomo Protn Electrn Capa Valencia Ionizacin
Electrn libre Aislante Conductor Semiconductor Silicio Cristal
Hueco Dopado Diodo Unin PN Potencial de barrera Polarizacin
Polarizacin en directa Polarizacin en inversa Caracterstica V-I
Ctodo nodo VISITE EL SITIO WEB COMPANION Recursos de apoyo para el
estudio de este captulo estn disponibles en
http://www.pearsoneducacion.net/floyd INTRODUCCIN Los dispositivos
electrnicos tales como diodos, transistores y circuitos integrados
estn hechos con un material semiconductor; para entender cmo
funcionan debe tenerse conocimiento bsico de la estructura de los
tomos y la interaccin de las partculas atmicas. Un concepto
importante presentado en este captulo es el de la unin pn, que se
forma cuando se unen dos tipos de material semiconductor. La unin
pn es fundamental para la operacin de dispositivos tales como el
diodo y ciertos tipos de transistores. Se aborda la operacin y las
caractersticas del diodo; asimismo, se analizan y prueban tres
modelos del diodo que representan tres niveles de aproximacin.
TRMINOS CLAVE
- 22. 2 INTRODUCCIN A LOS SEMICONDUCTORES 11 ESTRUCTURA ATMICA
Toda la materia est compuesta por tomos, y todos los tomos se
componen de electrones, pro- tones y neutrones. En esta seccin
aprender sobre la estructura del tomo, las rbitas y capas de los
electrones, los electrones de valencia, los iones y dos materiales
semiconductores: el sili- cio y el germanio. La configuracin de
ciertos electrones en un tomo es el factor clave para determinar
cmo un material dado conduce corriente elctrica. Despus de
completar esta seccin, usted deber ser capaz de Describir la
estructura bsica de los tomos Definir ncleo, protn, neutrn y
electrn Describir el nmero atmico de un elemento Explicar las capas
de electrones Describir un electrn de valencia Describir la
ionizacin Describir un electrn libre *Todos los trminos en negritas
se encuentran en el glosario al final de libro. Los trminos en gris
son trminos clave y tambin se definen al final del captulo. Electrn
Protn Neutrn FIGURA 11 Modelo de Bohr que muestra electrones en
rbitas alrededor del ncleo, el cual se compone de protones y
neutrones. Las colas en los electrones indican movimiento. Un tomo*
es la partcula ms pequea de un elemento que retiene las
caractersticas de ste. Cada uno de los 109 elementos conocidos
tiene tomos que son diferentes de los de todos los dems elementos;
es decir, cada elemento presenta una estructura atmica nica. De
acuerdo con el modelo de Bohr, los tomos tienen una estructura de
tipo planetario que consta de un ncleo central rodeado por
electrones que describen rbitas, como ilustra la figura 1-1. El
ncleo se compone de partculas cargadas positivamente llamadas
protones y partculas sin carga lla- madas neutrones. Las partculas
bsicas de carga negativa se llaman electrones.
- 23. ESTRUCTURA ATMICA 3 Cada tipo de tomo tiene un cierto nmero
de electrones y protones que los distinguen de los tomos de todos
los dems elementos. Por ejemplo, el tomo ms simple es el de
hidrgeno y tiene un protn y un electrn, como muestra la figura
1-2(a). El tomo de helio, que ilustra la figura 1-2(b), tiene dos
protones y dos neutrones en el ncleo y dos electrones en rbita
alrede- dor del ncleo. (a) tomo de hidrgeno (b) tomo de helio
Electrn Ncleo Electrn Ncleo Electrn FIGURA 12 Dos tomos simples:
hidrgeno y helio. Nmero atmico Todos los elementos estn dispuestos
en la tabla peridica de acuerdo con su nmero atmico. El nmero
atmico es igual al nmero de protones en el ncleo, el cual es igual
al nmero de elec- trones en un tomo elctricamente balanceado
(neutro). Por ejemplo, el nmero atmico del hidrgeno es 1 y el del
helio es 2. En su estado normal (o neutro), todos los tomos de un
ele- mento dado tienen el mismo nmero de electrones que protones:
las cargas positivas cancelan las negativas y la carga neta del
tomo es cero. Capas y rbitas de los electrones Los electrones giran
alrededor del ncleo de un tomo a ciertas distancias de l. Los
electrones cercanos al ncleo tienen menos energa que aquellos que
describen rbitas ms distantes. Slo existen valores discretos
(separados y distintos) de energas del electrn dentro de las
estructuras atmicas. Por consiguiente, los electrones deben
describir rbitas a distancias discretas del ncleo. Niveles de
energa Cada distancia discreta (rbita) al ncleo corresponde a
cierto nivel de energa. En un tomo, las rbitas se agrupan en bandas
de energa conocidas como capas. Un tomo dado tiene un nmero fijo de
capas. Cada capa tiene un nmero fijo mximo de electrones a niveles
de energa permisibles. Las diferencias de los niveles de energa en
una capa son mu- cho ms pequeas que las diferencias de energa entre
capas. Las capas se designan 1, 2, 3 y as sucesivamente, y la 1 es
la ms cercana al ncleo. La figura 1-3 muestra este concepto de
banda de energa: la primera capa tiene un nivel de energa y la
segunda tiene dos niveles de energa. Pueden existir ms capas en
otros tipos de tomos, segn el elemento. Nmero de electrones en cada
capa El nmero mximo de electrones (Ne) que puede exis- tir en cada
capa de un tomo es un hecho de la naturaleza y se calcula con la
frmula Ne 2n2 Ecuacin 11
- 24. 4 INTRODUCCIN A LOS SEMICONDUCTORES donde n es el nmero de
la capa. La capa ms interna es la nmero 1, la siguiente es la nmero
2 y as sucesivamente. El nmero mximo de electrones que puede
existir en la capa ms interna (capa 1) es El nmero mximo de
electrones que puede existir en la segunda capa es El nmero mximo
de electrones que puede existir en la tercera capa es El nmero
mximo de electrones que puede existir en la cuarta capa es
Electrones de valencia Los electrones que describen rbitas alejadas
del ncleo tienen ms energa y estn flojamente enlazados al tomo que
aquellos ms cercanos al ncleo. Esto se debe a que la fuerza de
atrac- cin entre el ncleo cargado positivamente y el electrn
cargado negativamente disminuye con la distancia al ncleo. En la
capa ms externa de un tomo existen electrones con un alto nivel de
energa y estn relativamente enlazados al ncleo. Esta capa ms
externa se conoce como la capa de valencia y los electrones
presentes en esta capa se llaman electrones de valencia. Estos
elec- trones de valencia contribuyen a las reacciones qumicas y al
enlace dentro de la estructura de un material y determinan sus
propiedades elctricas. Ionizacin Cuando un tomo absorbe energa de
una fuente calorfica o luminosa, por ejemplo, las energas de los
electrones se elevan. Los electrones de valencia poseen ms energa y
estn ligeramente enlazados al tomo que los electrones internos, as
que pueden saltar con facilidad a rbitas ms al- tas dentro de la
capa de valencia cuando el tomo absorbe energa externa. Si un tomo
de valencia adquiere una cantidad suficiente de energa puede
escapar con facili- dad de la capa externa y la influencia del
tomo. La partida de un electrn de valencia deja a un tomo
previamente neutro con un exceso de carga positiva (ms protones que
electrones). El pro- ceso de perder un electrn de valencia se
conoce como ionizacin y el tomo cargado positiva- mente resultante
se conoce como ion positivo. Ne = 2n2 = 2(4)2 = 2(16) = 32 Ne = 2n2
= 2(3)2 = 2(9) = 18 Ne = 2n2 = 2(2)2 = 2(4) = 8 Ne = 2n2 = 2(1)2 =
2 Nivel de energa Capa 2 Capa 1Ncleo FIGURA 13 La energa se
incrementa a medida que se incrementa la distancia al ncleo.
- 25. AISLANTES, CONDUCTORES Y SEMICONDUCTORES 5 Por ejemplo, el
smbolo qumico del hidrgeno es H. Cuando un tomo de hidrgeno neutro
pierde su electrn de valencia y se transforma en un ion positivo,
se designa H . El electrn de valencia escapado se llama electrn
libre. Para algunos materiales no metlicos tales como el cloro, un
electrn libre puede ser cap- turado por el tomo neutro y se forma
un ion negativo. En el caso del cloro, el ion es ms estable que el
tomo neutro porque su capa externa est completa. El ion de cloro se
designa Cl- . 1. Describa un tomo. 2. Qu es un electrn? 3. Qu es un
electrn de valencia? 4. Qu es un electrn libre? 5. Cmo se forman
los iones? REPASO DE LA SECCIN 1-1 Las respuestas se encuentran al
final del captulo. Todos los materiales estn compuestos por tomos;
stos contribuyen a las propiedades elc- tricas de un material,
incluida su capacidad de conducir corriente elctrica. Para
propsitos de anlisis de las propiedades elctricas, un tomo se puede
representar por la capa de valencia y una parte central compuesta
de todas las capas internas y el ncleo. La fi- gura 1-4 ilustra
este concepto usando un tomo de carbn (el carbn se utiliza en
algunos tipos de resistores elctricos). Observe que el tomo de
carbn tiene cuatro electrones en la capa de va- lencia y dos en la
capa interna. El ncleo est compuesto por seis protones y seis
neutrones, por lo que 6 indica la carga positiva de los seis
protones. La parte central tiene una carga neta de 4 (6 para el
ncleo y 2 para los dos electrones de capa interna). Aislantes Un
aislante es un material que no conduce corriente elctrica en
condiciones normales. La ma- yora de los buenos aislantes son
materiales compuestos, es decir, no formados por slo un ele- 12
AISLANTES, CONDUCTORES Y SEMICONDUCTORES En funcin de sus
propiedades elctricas, los materiales se clasifican en tres grupos:
conductores, semiconductores y aislantes. Cuando los tomos se
combinan para formar un material slido cristalino, se acomodan en
una configuracin simtrica. Los tomos dentro de la estructura
cristalina se mantienen juntos gracias a los enlaces covalentes,
que son creados por la interaccin de los electrones de valencia de
los tomos. El silicio es un material cristalino. Al terminar esta
seccin, usted ser capaz de: Describir los aislantes, conductores y
semiconductores, y definir en qu difieren esencialmente Definir la
parte central de un tomo Describir la estructura atmica del cobre,
silicio, germanio y carbn Nombrar los cuatro mejores conductores
Nombrar cuatro semiconductores Describir las diferencias entre
conductores y semiconductores Describir la diferencia entre
semiconductores de silicio y de germanio Describir el enlace
covalente en el silicio
- 26. 6 INTRODUCCIN A LOS SEMICONDUCTORES mento. Los electrones
de valencia estn estrechamente enlazados a los tomos; por
consiguiente, en un aislante hay muy pocos electrones
libres.Algunos ejemplos de aislantes son el hule, el pls- tico, el
vidrio, la mica y el cuarzo. Conductores Un conductor es un
material que conduce corriente elctrica fcilmente. La mayora de los
me- tales son buenos conductores. Los mejores conductores son
materiales de slo un elemento, tales como cobre, plata, oro y
aluminio, que estn caracterizados por tomos con slo un electrn de
valencia muy flojamente enlazado al tomo. Estos electrones de
valencia flojamente enlazados se convierten en electrones libres.
Por consiguiente, en un material conductor, los electrones libres
son electrones de valencia. Semiconductores Un semiconductor es un
material a medio camino entre los conductores y los aislantes, en
lo que a su capacidad de conducir corriente elctrica respecta. Un
semiconductor en estado puro (in- trnseco) no es ni buen conductor
ni buen aislante. Los semiconductores ms comunes de slo un elemento
son el silicio, el germanio y el carbn. Los semiconductores
compuestos, tales como el arseniuro de galio y el fosfuro de indio,
tambin son de uso comn. Los semiconductores de un solo elemento
estn caracterizados por tomos con cuatro electrones de valencia.
Bandas de energa Recuerde que la capa de valencia de un tomo
representa una banda de niveles de energa y que los electrones de
valencia estn confinados a dicha banda. Cuando un electrn adquiere
suficien- te energa adicional puede abandonar la capa de valencia,
convertirse en un electrn libre y exis- tir en lo que se conoce
como banda de conduccin. La diferencia de energa entre la banda de
valencia y la banda de conduccin se llama banda prohibida. sta es
la cantidad de energa que un electrn de valencia debe tener para
saltar de la banda de valencia a la de conduccin. Una vez en la
banda de conduccin, el electrn es libre de moverse por todo el
material y no queda enlazado a ningn tomo dado. La figura 1-5
muestra diagramas de energa de aislantes, semiconductores y
conductores: la parte (a) muestra que los aislantes tiene una banda
prohibida muy ancha. Los electrones de valen- cia no saltan a la
banda de conduccin excepto en condiciones de ruptura en las que se
aplican vol- tajes extremadamente altos a travs del material. La
parte (b) ilustra cmo los semiconductores tienen una banda
prohibida mucho ms angosta, la cual permite que algunos tomos de
valencia salten a la banda de conduccin y se conviertan en
electrones libres. En contraste, como la parte (c) lo muestra, las
bandas de energa en conductores se traslapan. En un material
conductor me- tlico siempre existe un mayor nmero de electrones de
valencia que electrones libres. Comparacin de un tomo semiconductor
con un tomo conductor El silicio es un semiconductor y el cobre es
un conductor. La figura 1-6 muestra diagramas del tomo de silicio y
del tomo de cobre. Observe que la parte central del tomo de silicio
tiene una carga neta de 4 (14 protones 10 electrones) y la parte
central del tomo de cobre tiene una carga neta de 1 (29 protones 28
electrones). La parte central incluye todo, excepto los electrones
de valencia. FIGURA 14 Diagrama de un tomo de carbn. Parte central
(+4) Electrn de valencia +6 Despus del silicio, el segundo material
semiconductor ms comn es el arseniuro de galio. ste es un compuesto
cristalino, no un elemento; sus propiedades pueden ser controladas
variando la cantidad relativa de galio y arsnico. El GaAs tiene la
ventaja de producir dispositivos semiconductores que responden muy
rpido a las seales elctricas. Esto lo hace ser mejor que el silicio
para aplicaciones como amplificacin de seales de alta frecuencia (1
GHz a 10 GHz) transmitidas por satlites de TV, por ejemplo. La
desventaja principal del GaAs es que es ms difcil de fabricar y los
productos qumicos implicados con frecuencia son bastante venenosos.
NOTA TCNICA
- 27. AISLANTES, CONDUCTORES Y SEMICONDUCTORES 7 El electrn de
valencia del tomo de cobre siente una fuerza de atraccin de 1, en
compa- racin con un electrn de valencia del tomo de silicio, que
siente una fuerza de atraccin de 4. Por consiguiente, existe ms
fuerza que trata de retener un electrn de valencia en el tomo de
silicio que en el de cobre. El electrn de valencia del cobre se
encuentra en la cuarta capa, que est a mayor distancia de su ncleo
que el electrn de valencia del silicio, residente en la tercera
capa. Recuerde que los electrones ms alejados del ncleo tienen ms
energa: el electrn de va- lencia del cobre tiene ms energa que el
electrn de valencia del silicio. Esto significa que es ms fcil que
los electrones de valencia del cobre adquieran suficiente energa
adicional para escapar de sus tomos y convertirse en electrones
libres que los del silicio. En realidad, un gran nmero de
electrones de valencia en cobre ya tienen suficiente energa como
para convertirse en electro- nes libres a temperatura ambiente
normal. Silicio y germanio La figura 1-7 permite comparar las
estructuras atmicas del silicio y el germanio. El silicio es, por
mucho, el material ms utilizado en diodos, transistores, circuitos
integrados y otros disposi- tivos semiconductores. Observe que
tanto el silicio como el germanio tienen los cuatro electrones de
valencia caractersticos. Los electrones de valencia del germanio
residen en la cuarta capa, mientras que los del silicio estn en la
tercera, ms cerca al ncleo. Esto significa que los electrones de
valencia del germanio Banda de conduccin Energa Energa Energa Banda
de valencia Banda de conduccin Banda de valencia Banda de conduccin
Banda de valencia Banda prohibida Banda prohibida 0 0 0 (c)
Conductor(b) Semiconductor(a) Aislante Traslape FIGURA 15 Diagramas
de energa para los tres tipos de materiales. (b) tomo de cobre(a)
tomo de silicio Parte central (+4) Parte central (+1) Electrones de
valencia Electrn de valencia +14 +29 FIGURA 16 Diagramas de los
tomos de silicio y cobre.
- 28. 8 INTRODUCCIN A LOS SEMICONDUCTORES se encuentran a niveles
de energa ms altos que aquellos en el silicio y, por consiguiente,
requieren una cantidad de energa adicional ms pequea para escaparse
del tomo. Esta propiedad hace que el germanio sea ms inestable a
altas temperaturas, lo que produce una excesiva corriente en
inversa. Por eso el silicio es un material semiconductor ms
utilizado. Enlaces covalentes La figura 1-8 muestra cmo cada tomo
de silicio se sita con cuatro tomos de silicio adyacentes para
formar un cristal de silicio. Un tomo de silicio (Si), con sus
cuatro electrones de valencia, comparte un electrn con cada uno de
sus cuatro vecinos. Esto crea efectivamente ocho electrones de
valencia compartidos por cada tomo y produce un estado de
estabilidad qumica. Adems, compartir electrones de valencia produce
enlaces covalentes que mantienen a los tomos juntos; cada electrn
de valencia es atrado igualmente por los dos tomos adyacentes que
lo comparten. La figura 1-9 muestra el enlace covalente de un
cristal de silicio intrnseco. Un cristal intrnseco es uno que no
tiene impurezas. El enlace covalente en el germanio es similar
porque tambin tie- ne cuatro electrones de valencia. tomo de
germanio +14 tomo de silicio Cuatro tomos de valencia en la capa
externa (de valencia) +32 FIGURA 17 Diagramas de tomos de silicio y
germanio. (a) (b) El tomo de silicio central comparte un electrn
con cada uno de los cuatro tomos de silicio circundantes, con lo
que se crea un enlace covalente con cada uno. Los tomos
circundantes estn a su vez enlazados con los otros tomos, y as
sucesivamente. Si SiSiSi Si +4 +4 +4 +4 +4 Diagrama de enlaces. Los
signos negativos (en gris) representan los electrones de valencia
compartidos. FIGURA 18 Ilustracin de enlaces covalentes de
silicio.
- 29. CORRIENTE EN SEMICONDUCTORES 9 13 CORRIENTE EN
SEMICONDUCTORES Si SiSi Si Si Si SiSi Si Si Si SiSi Si Si Si SiSi
Si Si FIGURA 19 Enlaces covalentes en un cristal de silicio. 1. Cul
es la diferencia bsica entre conductores y aislantes? 2. Cmo
difieren los semiconductores de los conductores y aislantes? 3.
Cuntos electrones de valencia tiene un conductor tal como el cobre?
4. Cuntos electrones de valencia tiene un semiconductor? 5. Nombre
tres de los mejores materiales conductores. 6. Cul es el material
semiconductor ms utilizado? 7. Por qu un semiconductor tiene menos
electrones libres que un conductor? 8. Cuntos enlaces covalentes se
forman? 9. Qu significa el trmino intrnseco? 10. Qu es un cristal?
REPASO DE LA SECCION 1-2 Como aprendi anteriormente, los electrones
de un tomo pueden existir slo dentro de ban- das de energa
prescritas. Cada capa alrededor del ncleo corresponde a cierta
banda de energa y est separada de bandas adyacentes por bandas
prohibidas, en las cuales no pueden existir elec- trones. La figura
1-10 muestra el diagrama de bandas de energa de un tomo no excitado
(sin energa externa tal como calor) en un cristal de silicio puro.
Esta condicin ocurre slo a una tem- peratura del 0 absoluto en
Kelvin. La forma en que un material conduce corriente elctrica es
importante para entender cmo funcionan los dispositivos
electrnicos. En realidad no se puede entender la operacin de un
dispositivo tal como un diodo o transistor sin saber algo sobre
corriente. Al terminar esta seccin, usted ser capaz de: Describir
cmo se produce corriente en un semiconductor Describir un electrn
de conduccin Definir hueco Explicar qu es un par electrn-hueco
Describir la recombinacin Explicar la diferencia entre corriente de
electrn y corriente de hueco
- 30. 10 INTRODUCCIN A LOS SEMICONDUCTORES Electrones de
conduccin y huecos Un cristal de silicio intrnseco (puro) a
temperatura ambiente tiene energa calorfica (trmica) suficiente
para que algunos electrones de valencia salten la banda prohibida
desde la banda de va- lencia hasta la banda de conduccin,
convirtindose as en electrones libres, que tambin se conocen como
electrones de conduccin. Esto se ilustra en el diagrama de energa
de la figura 1-11(a) y el diagrama de enlaces de la figura 1-11(b).
Energa Banda prohibida Banda prohibida Banda prohibida Banda de
conduccin Banda de valencia Segunda banda (capa 2) Primera banda
(capa 1) Ncleo 0 FIGURA 110 Diagrama de bandas de energa de un tomo
excitado en un cristal de silicio puro (intrnseco). En la banda de
conduccin no hay electrones. Banda de conduccin Banda de valencia
Banda prohibida Hueco Electrn libre (a) Diagrama de energa Energa
Par electrn-hueco +4 +4 Hueco Electrn libre (b) Diagrama de enlaces
Energa calorfica Energa calorfica FIGURA 111 Creacin de pares
electrn- hueco en un cristal de silicio. Los electrones en la banda
de conduccin son electrones libres. Cuando un electrn salta a la
banda de conduccin, deja un espacio vaco en la banda de va- lencia
dentro del cristal. Este espacio vaco se llama hueco. Por cada
electrn elevado a la banda de conduccin por medio de energa externa
queda un hueco en la banda de valencia y se crea lo que se conoce
como par electrn-hueco; ocurre una recombinacin cuando un electrn
de banda de conduccin pierde energa y regresa a un hueco en la
banda de valencia. Resumiendo, un trozo de silicio intrnseco a
temperatura ambiente tiene, en cualquier instan- te, varios
electrones de banda de conduccin (libres) que no estn enlazados a
ningn tomo y en esencia andan a la deriva por todo el material.
Tambin existe un nmero igual de huecos en la banda de valencia que
se crean cuando estos electrones saltan a la banda de conduccin
(vea la figura 1-12).
- 31. CORRIENTE EN SEMICONDUCTORES 11 Si SiSi Si Si Si SiSi Si Si
Si SiSi Si Si Si SiSi Si Si Generacin de un par electrn-hueco
Recombinacin de un electrn con un hueco Energa calorfica FIGURA 112
Pares electrn-hueco en un cristal de silicio. Continuamente se
generan electrones libres mientras que algunos se recombinan con
huecos. Corriente de electrn y hueco Cuando se aplica voltaje a
travs de un trozo de silicio intrnseco, como muestra la figura
1-13, los electrones libres generados trmicamente presentes en la
banda de conduccin (que se mueven libremente y al azar en la
estructura cristalina) son entonces fcilmente atrados hacia el
extremo positivo. Este movimiento de electrones es un tipo de
corriente en un material semiconductor y se llama corriente de
electrn. Si SiSi Si Si SiSi Si Si Si SiSi Si Si V Si + FIGURA 113
La corriente de electrones en silicio intrnseco se produce por el
movimiento de electrones libres generados trmicamente. Otro tipo de
corriente ocurre en la banda de valencia, donde existen los huecos
creados por los electrones libres. Los electrones que permanecen en
la banda de valencia siguen estando unidos a sus tomos y no pueden
moverse al azar en la estructura cristalina como lo hacen los
electrones libres. No obstante, un electrn de valencia puede
moverse a un hueco cercano con poco cambio en su nivel de energa y
por lo tanto deja otro hueco en el lugar de donde vino: el hueco se
habr movido entonces de un lugar a otro en la estructura
cristalina, como se puede ver en la figura 1-14. Aun cuando la
corriente en la banda de valencia es producida por electrones de
valencia, se lla- ma corriente de hueco para distinguirla de la
corriente de electrn en la banda de conduccin. Como ya se ha visto,
se considera que la conduccin en semiconductores es el movimiento
de electrones libres en la banda de conduccin o el movimiento de
huecos en la banda de valencia, que en realidad es el movimiento de
electrones de valencia a tomos cercanos con lo que se crea
corriente de hueco en la direccin opuesta. Es interesante
contrastar los dos tipos de movimiento de carga en un semiconductor
con el movimiento de carga en un conductor metlico, tal como el
cobre. Los tomos de cobre forman un tipo de cristal diferente en el
que los tomos no estn enlazados covalentemente entre s, sino que se
componen de un mar de ncleos de iones positivos, los cuales son
tomos sin sus elec- trones de valencia. Los electrones de valencia
estn enlazados a los iones positivos, lo que man- tiene a los iones
positivos juntos y les permite formar el enlace metlico. Los
electrones de valencia no pertenecen a un tomo dado, sino al
cristal en conjunto. Debido a que los electrones de valencia en el
cobre se mueven libremente, la aplicacin de un voltaje produce
corriente. Exis- te slo un tipo de corriente el movimiento de
electrones libres porque no existen huecos en la estructura
cristalina metlica.
- 32. 12 INTRODUCCIN A LOS SEMICONDUCTORES Un electrn libre deja
un hueco en la capa de valencia Un electrn de valencia se desplaza
al 2o. hueco y deja un 3er. hueco Un electrn de valencia se
desplaza al 4o. hueco y deja un 5o. hueco Un electrn de valencia se
desplaza hacia el 1er. hueco y deja un 2o. hueco Un electrn de
valencia se desplaza al 3er. hueco y deja un 4o. hueco Un electrn
de valencia se desplaza al 5o. hueco y deja un 6o. hueco Cuando un
electrn de valencia se desplaza de izquierda a derecha mientras
deja detrs un hueco, ste se ha movido efectivamente de derecha a
izquierda. Las flechas gruesas indican el movimiento efectivo de un
hueco. 5 3 1 246 Si Si Si FIGURA 114 Corriente de huecos en silicio
intrnseco. 1. Hay electrones libres en la banda de valencia o en la
banda de conduccin? 2. Cules electrones son responsables de la
corriente de electrn en el silicio? 3. Qu es un hueco? 4. A qu
nivel de energa ocurre un hueco? REPASO DE LA SECCIN 1-3 14
SEMICONDUCTORES TIPO N Y TIPO P Los materiales semiconductores en
su estado intrnseco no conducen bien la corriente y su valor es
limitado. Esto se debe al nmero limitado de electrones libres
presentes en la banda de conduccin y huecos presentes en la banda
de valencia. El silicio intrnseco (o germanio) se debe modificar
incrementando el nmero de electrones libres o huecos para aumentar
su conductividad y hacerlo til en dispositivos electrnicos. Esto se
hace aadiendo impurezas al material intrnseco. Dos tipos de
materiales semiconductores extrnsecos (impuros), el tipo n y el
tipo p, son los bloques de construccin fundamentales en la mayora
de los tipos de dispositivos electrnicos. Al terminar esta seccin,
usted ser capaz de: Describir las propiedades de semiconductores
tipo n y tipo p Definir dopado Explicar cmo se forman los
semiconductores tipo n Explicar cmo se forman los semiconductores
tipo p Describir un portador de mayoritario y un portador
minoritario Dopado La conductividad del silicio y el germanio se
incrementa drsticamente mediante la adicin con- trolada de
impurezas al material semiconductor intrnseco (puro). Este proceso,
llamado dopa- do, incrementa el nmero de portadores de corriente
(electrones o huecos). Los dos portadores de impurezas son el tipo
n y el tipo p.
- 33. SEMICONDUCTORES TIPO N Y TIPO P 13 Semiconductor tipo N
Para incrementar el nmero de electrones de banda de conduccin en
silicio intrnseco se agre- gan tomos de impureza pentavalente.
Estos son tomos son cinco electrones de valencia tales como arsnico
(As), fsforo (P), bismuto (Bi) y antimonio (Sb). Como ilustra la
figura 1-15, cada tomo pentavalente (antimonio, en este caso) forma
enlaces covalentes con cuatro tomos de silicio adyacentes. Se
utilizan cuatro de los electrones de valen- cia del tomo de
antimonio para formar enlaces covalentes con tomos de silicio y
queda un elec- trn extra. Este electrn extra llega a ser un electrn
de conduccin porque no interviene en el enlace. Como el tomo
pentavalente cede un electrn, se conoce como tomo donador. El nmero
de electrones de conduccin puede ser controlado con cuidado
mediante el nmero de tomos de impureza agregados al silicio. Un
electrn de conduccin creado mediante este proceso de dopado no deja
un hueco en la banda de valencia porque excede el nmero requerido
para llenarla. Electrn libre (de conduccin) proveniente de un tomo
de Sb SbSi Si Si Si FIGURA 115 tomo de impureza pentavalente en una
estructura de cristal de silicio. Se muestra un tomo de impureza de
antimonio (Sb) en el centro. El electrn extra proveniente del tomo
de Sb se convierte en electrn libre. Portadores mayoritarios y
minoritarios Como la mayora de los portadores de corriente son
electrones, el silicio (o el germanio) dopado con tomos
pentavalentes es un semiconductor tipo n (n expresa la carga
negativa de un electrn). Los electrones se conocen como portadores
mayo- ritarios en material tipo n. Aunque la mayora de los
portadores de corriente en un material tipo n son electrones,
tambin existen algunos huecos que se crean cuando trmicamente se
generan pa- res electrn-hueco (estos huecos no se producen por la
adicin de tomos de impureza pentava- lentes). Los huecos en un
material tipo n reciben el nombre de portadores minoritarios.
Semiconductor tipo P Para incrementar el nmero de huecos en silicio
intrnseco, se agregan tomos de impureza tri- valentes: tomos con
tres electrones de valencia tales como boro (B), indio (In) y galio
(Ga). Co- mo muestra la figura 1-16, cada tomo trivalente (boro, en
este caso) forma enlaces covalentes con cuatro tomos de silicio
adyacentes. Se utilizan los tres electrones de valencia del tomo de
boro en los enlaces covalentes y, como son necesarios cuatro
electrones, resulta un hueco cuando se agrega cada tomo trivalente.
Como el tomo trivalente puede tomar un electrn, a menudo se hace
referencia a l como tomo aceptor. El nmero de huecos se controla
cuidadosamente con el nmero de tomos de impureza trivalente
agregados al silicio. Un hueco creado mediante este proceso de
dopado no est acompaado por un electrn de conduccin (libre).
Portadores mayoritarios y minoritarios Como la mayora de los
portadores de corriente son huecos, el silicio (o germanio) dopado
con tomos trivalentes se llama semiconductor tipo p. Los
- 34. 15 EL DIODO Si se toma un bloque de silicio y se dopa una
parte de l con una impureza trivalente y la otra con una impureza
pentavalente, se forma un lmite llamado unin pn entre las partes
tipo p y tipo n resultantes y se crea un diodo bsico. Un diodo es
un dispositivo que conduce corriente en slo una direccin. La unin
pn es la caracterstica que permite funcionar a diodos, ciertos
transistores y otros dispositivos. Al terminar esta seccin, usted
ser capaz de: Describir un diodo y cmo se forma una unin pn
Explicar la difusin a travs de una unin pn Explicar la formacin de
la regin de empobrecimiento Definir el potencial de barrera y
explicar su relevancia Formular los valores de potencial de barrera
en el silicio y el germanio 14 INTRODUCCIN A LOS SEMICONDUCTORES
huecos son los portadores mayoritarios en un material tipo p.
Aunque la mayora de los portado- res de corriente en un material
tipo p son huecos, tambin existen algunos electrones de banda de
conduccin que se crean cuando trmicamente se generan pares
electrn-hueco. Estos electrones de banda de conduccin no se
producen por la adicin de tomos de impureza trivalentes. Los
electrones de banda de conduccin en un material tipo p son los
portadores minoritarios. Hueco del tomo de B BSi Si Si Si FIGURA
116 tomo de impureza trivalente en una estructura de cristal de
silicio. Un tomo de impureza de boro (B) se muestra en el centro.
1. Defina dopado. 2. Cul es la diferencia entre un tomo
pentavalente y un tomo trivalente? Cules otros nombres reciben
estos tomos? 3. Cmo se forma un semiconductor tipo n? 4. Cmo se
forma un semiconductor tipo p? 5. Cul es el portador mayoritario en
un semiconductor tipo n? 6. Cul es el portador mayoritario en un
semiconductor tipo p? 7. Mediante qu proceso se producen los
portadores mayoritarios? 8. Mediante qu proceso se producen los
portadores minoritarios? 9. Cul es la diferencia entre
semiconductores intrnsecos y extrnsecos? REPASO DE LA SECCIN
1-4
- 35. EL DIODO 15 Un material tipo p consta de tomos de silicio y
tomos de impureza trivalentes tales como el boro. El tomo de boro
agrega un hueco cuando se enlaza con los tomos de silicio. Sin
embar- go, como el nmero de protones y el nmero de electrones son
iguales en todo el material, no existe carga neta en el material y
por lo tanto es neutro. Un material de silicio tipo n se compone de
tomos de silicio y tomos de impureza pentava- lentes tales como el
antimonio. Como ya se vio, un tomo de impureza libera un electrn
cuando se enlaza a cuatro tomos de silicio. Como sigue habiendo un
nmero igual de protones y elec- trones (incluidos los electrones
libres) por todo el material, no existe carga neta en el material y
por lo tanto es neutro. Si un trozo de silicio intrnseco es dopado
de tal forma que una parte es tipo n y la otra tipo p, se forma una
unin pn en el lmite entre las dos regiones y se crea un diodo, como
se indica en la figura 1-17(a). La regin p tiene muchos huecos
(portadores mayoritarios) por lo tomos de impureza y slo unos
cuantos electrones libres trmicamente generados (portadores
minorita- rios). La regin n tiene muchos electrones libres
(portadores mayoritarios) por los tomos de im- pureza y slo unos
cuantos huecos trmicamente generados (portadores minoritarios).
Formacin de la regin de empobrecimiento Los electrones libres en la
regin n se mueven aleatoriamente en todas direcciones. En el
instan- te en que se forma la unin pn, los electrones libres que se
encuentran cerca de la unin en la re- gin n comienzan a difundirse
a travs de la unin hacia la regin p, donde se combinan con los
huecos que se encuentran cerca de la unin, como se muestra en la
figura 1-17(b). Antes de analizar la formacin de la unin pn,
recuerde que existen tantos electrones como protones en el material
tipo n, por lo que el material es neutro en funcin de la carga
neta; lo mis- mo se aplica al caso del material tipo p. Cuando se
forma la unin pn, la regin n pierde electrones libres a medida que
se difunden a travs de la unin. Esto crea una capa de cargas
positivas (iones pentavalentes) cerca de la unin. A medida que los
electrones se mueven a travs de sta, la regin p pierde huecos a
medida que los electrones y huecos se combinan. Esto crea una capa
de cargas negativas (iones trivalentes) cerca de la unin. Estas dos
capas de cargas positivas y negativas forman la regin de empobre-
cimiento, como la figura 1-17(b) lo muestra. El trmino
empobrecimiento se refiere al hecho de que la regin cercana a la
unin pn se queda sin portadores de carga (electrones y huecos)
debido regin p regin n unin pn (a) La estructura de diodo bsica en
el instante de la formacin de la unin que muestra slo los
portadores mayoritarios y minoritarios. Algunos electrones libres
en la regin n cerca de la unin pn comienzan a difundirse a travs de
la unin y caen en huecos cerca de la unin en la regin p. regin p
regin n Regin de empobrecimiento + + + + + + + + Potencial de
barrera Por cada electrn que se difunde a travs de la unin y se
combina con un hueco, queda una carga positiva en la regin n, se
crea una negativa en la regin p, y se forma un potencial de
barrera. Esta accin contina hasta que el voltaje de la barrera se
opone a ms difusin. Las flechas entre las cargas positivas y
negativas en la regin de empobrecimiento representan el campo
elctrico. (b) FIGURA 117 Formacin de la regin de empobrecimiento.
El ancho de sta se muestra exagerada para propsitos de ilustracin.
Despus de la invencin del foco incandescente, Edison contino
experimentando y en 1883 encontr que poda detectar los electrones
que fluan a travs del vaco del filamento incandescente a la placa
metlica montada en el interior del foco. Este descubrimiento lleg a
ser conocido como el efecto Edison. Un fsico ingls, John Fleming,
parti de donde Edison se qued y encontr que el efecto Edison tambin
poda ser utilizado para detectar ondas de radio y convertirlas en
seales elctricas. Continu desarrollando un tubo de vaco de dos
elementos llamado vlvula Fleming, ms adelante conocida como diodo.
NOTA HISTRICA
- 36. 16 INTRODUCCIN A LOS SEMICONDUCTORES a la difusin a travs
de la unin. Tenga en cuenta que la regin de empobrecimiento se
forma muy rpido y que es muy delgada en comparacin con la regin n y
la regin p. Despus del aumento sbito inicial de electrones libres a
travs de la unin pn, la regin de empobrecimiento se expande hasta
un punto donde se establece el equilibrio y no hay ms difusin de
electrones a travs de la unin. Esto ocurre de la siguiente manera:
conforme los electrones continan difundindose a travs de la unin,
ms y ms cargas positivas y negativas se crean cerca de la unin a
medida que se forma la regin de empobrecimiento. Se llega a un
punto donde la carga negativa total en la regin de empobrecimiento
repele cualquier difusin adicional de elec- trones (partculas
cargadas negativamente) hacia la regin p (las cargas iguales se
repelen) y la difusin se detiene. En otras palabras, la regin de
empobrecimiento acta como barrera ante el movimiento continuado de
electrones a travs de la unin. Potencial de barrera En cualquier
momento que exista una carga positiva y una carga negativa, una
cerca de la otra, existe una fuerza que acta en la carga como lo
describe la ley de Coulomb. En la regin de empobrecimiento existen
muchas cargas positivas y muchas cargas negativas en los lados
opuestos de la unin pn. Las fuerzas entre las cargas opuestas
forman un campo elctri- co, como se indica en la figura 1-17(b)
mediante flechas entre las cargas positivas y las cargas ne-
gativas. Este campo elctrico es una barrera para los electrones
libres en la regin n y se debe consumir energa para mover un
electrn a travs del campo elctrico; es decir, se debe aplicar
energa externa para hacer que los electrones se muevan a travs de
la barrera del campo elctri- co en la regin de empobrecimiento. La
diferencia de potencial del campo elctrico a travs de la regin de
empobrecimiento es la cantidad de voltaje requerido para mover
electrones a travs del campo elctrico. Esta diferencia de potencial
se llama potencial de barrera y se expresa en volts. Expresado de
otra manera, se debe aplicar una cierta cantidad de voltaje igual
al potencial de barrera y con la polaridad apro- piada a travs de
una unin pn para que los electrones comiencen a fluir a travs de la
unin. Aprender ms al respecto cuando se analice la polarizacin en
la seccin 1-6. El potencial de barrera de una unin pn depende de
varios factores, incluido el tipo de mate- rial semiconductor, la
cantidad de dopado y la temperatura. El potencial de barrera tpico
es apro- ximadamente de 0.7 V para el silicio y de 0.3 V para el
germanio a 25C. Como los dispositivos de germanio son raros, se
utilizar silicio en lo que resta del libro. Diagramas de energa de
la unin PN y la regin de empobrecimiento Las bandas de valencia y
conduccin de un material tipo n se encuentran a niveles de energa
un poco ms bajos que las bandas de valencia y conduccin en un
material tipo p. Recuerde que el material tipo p tiene impurezas
trivalentes en tanto que el tipo n tiene impurezas pentavalentes.
Las impurezas trivalentes ejercen fuerzas ms bajas sobre los
electrones de la capa externa que las impurezas pentavalentes. Las
fuerzas ms bajas en materiales tipo p hacen que las rbitas de los
electrones sean un poco ms grandes y que consecuentemente tengan
una energa ms gran- de que las rbitas de los electrones en los
materiales tipo n. La figura 1-18(a) muestra un diagrama de energa
de una unin pn en el instante de su forma- cin. Como se puede ver,
las bandas de valencia y conduccin de la regin n estn a niveles de
energa ms bajos que aquellas de la regin p, pero