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Breve descripción de los materiales y dispositivos semiconductores mas conocidos
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7/21/2019 Materiales y Dispositivos Semicondutores
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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
CENTRO DE ESTUDIOS CIENTIFICOS YTECNOLOGICOS NO 7 “CUAUHTEMOC”
“Materiales y Dispositivos Semiconductores”
Tesis para obtener el título de Técnico en Instalacionesy Mantenimiento Eléctrico
Alumno: Cruz Ponce Mauricio 6IM6
Director: M. en C. Fariña López Gumersindo David
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Agradecimientos
En primera instancia agradezco profundamente a mi familia que siempreme han apoyado en todos los proyectos de vida que he tenidocorrigiéndome y alentándome cada vez que era necesario y sobre todopor nunca perder la fe en que lograría mis metas
A mi padre que ha sido un gran ejemplo para mi enseñándome valoresque han estado presentes en todas las etapas de mi vida como laresponsabilidad el respeto la amabilidad y sobre todo la constancia yesmero para lograr mis objetivos y sobresalir sin olvidarme de misorígenes
A mi madre que ha dado todo para que pudiera estar donde he llegado
ya que con sus consejos pero sobretodo su paciencia y amor me haayudado a superar todos los obstáculos que representan una formacióneducativa y además a formarme como un ser humano
A mi hermano el cual a pesar de la diferencia de edades me ha dado lafortaleza para superarme y que yo sea un buen ejemplo de superacióny esfuerzo ya que ha estado cuando lo he necesitado y siempre en virasde una buena relación
A mis amigos con quienes he pasado por tantas experiencias que me
han ido enriqueciendo como persona y me han abierto puertas lascuales nunca pesaría que existiesen
A mis profesores por compartir conmigo sus conocimientos y alentarmea seguir adelante siguiendo mis metas
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Índice
Pág.
Resumen 4
Abstract 4Introducción 5
Objetivos 5
Metodologías 6
Hipótesis 6
Capítulo I Materiales semiconductores 7
Tipos de semiconductores 7
Semiconductor intrínseco
Semiconductor extrínseco
Semiconductor tipo N
Semiconductor tipo P
Unión PN 10
Barrera interna de potencial 11
Capitulo II Diodos 12
Polarización directa 12
Polarización inversa 13
Curva característica de diodos 14
Modelos matemáticos 16
Tipos de diodos 17
Diodo avalancha
Diodo túnelFotodiodo
LED 18
Características
Ventajas y desventajas
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Visión general
Polaridad
Tecnología de fabricación
Funcionamiento de un LED 21Diagramas
Capitulo III Transistores 25
Historia de los transistores 25
Tipos de transistor 27
Transistor de contacto puntual
Transistor de unión bipolar
Transistor de efecto de campo
Fototransistor
Transistores y electrónica de potencia 29
El transistor como amplificador 30
Emisor común
Base común colector común
Capitulo IV Tiristores 32
Formas de activar un tiristor 32
Funcionamiento básico 33
Fabricación 34
SCR 34
GTO 35
DIAC 36
TRIAC 37
Conclusiones 39
Glosario 40
Bibliografía 40
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Resumen
Un semiconductor es aquel material que funciona como un material conductor o ensu defecto como un aislante dependiendo a los factores a los que esté sometidocomo el campo eléctrico o magnético, la radiación, la presión y la temperatura.
Los dispositivos semiconductores son aquellos que usando uno o más materialessemiconductores para cumplir una función específica y de los cuales el ejemplo másrepresentativo es el diodo el cual consiste en un ánodo la región tipo P y un cátodola tipo N las regiones N y P serán explicadas detenidamente más adelante
Los usos de los diodos son diversos ya sean los rectificadores ya sea de mediaonda y de onda completa los cuales contribuyen de manera significativa a laconversión de corriente alterna a corriente continua. El diodo LED el cual harevolucionado la industria de la iluminación en los últimos años y ha sido uncomponente elemental para los dispositivos desde su creación en 1962.
Además hay otros tipos de dispositivos semiconductores como los DIAC y LosTRIAC que se usan en varios ámbitos de la industria y para dispositivos domésticospor ejemplo para el control de una lámpara incandescente
Abstract
A semiconductor is those material that works as a conductor of electricity or aninsulating depending on many factors like the electric or magnetic field, the pressure,the radiation or the temperature
The semiconductor devices are which use one or more semiconductor materials todo an specific function and the most successful example is the diode which consistin an anode that is the region of P material and the cathode which is made of Nmaterial, the P and N material will be analyze after
The diodes uses are so many maybe if is a rectifier of half-wave or complete wavewhich contributes in an important way to change the alternant current to a continuousone, the Light Emitting Diode (LED), that made great changes to the light industry inthe last few years and it have been an elemental component for the devices sinceits creation in 1962
Also there are another semiconductor devices like the Diode of Alternative Current(DIAC) or the Triode of alternative current (TRIAC) what are used in many ways inthe industry and domestic devices like the control of a bulb.
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Introducción
Los semiconductores han sido de gran utilidad para la humanidad durante eldesarrollo de la electrónica siendo parte fundamental desde su invención aprincipios del siglo XX y tienen usos tan variados en la vida cotidiana desde
rectificación de corriente hasta usos como interruptores y los usos industriales sontodavía más extensos ya que son parte esencial de los circuitos de todas lascomputadoras, televisores, reproductores de DVD e inclusive los que son de tamañomicrométrico como los utilizados en los microprocesadores que llevan lascomputadoras y los celulares
Clasificándose en
Semiconductores intrínsecos: poseen una conductividad eléctrica fácilmentecontrolable y, al combinarlos correctamente adecuadamente, pueden actuar comointerruptores, amplificadores o dispositivos de almacenamiento. Ejemplo: Si y Ge
puros.
Semiconductores extrínsecos: estos se forman al agregar, intencionadamente, a unsemiconductor intrínseco sustancias dopantes. Su conductividad dependerá de laconcentración de esos átomos dopantes.
Objetivo general
Hacer una investigación documental sobre los materiales y dispositivossemiconductores analizando su composición y funcionamiento para poder tener unamayor percepción de su importancia e impacto en la vida moderna y sobre todo larelación con los dispositivos en los que podemos encontrarlos
Objetivos particulares
Conocer las características de los semiconductores y que elementosquímicos son usados para los semiconductores
Analizar los tipos de materiales de los que están formados los dispositivosemiconductores Exponer los usos de los dispositivos semiconductores y su importancia
dentro de la vida cotidiana
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Metodología
La siguiente obra de investigación es de carácter documental ya que es el másadecuado para el proyecto reuniendo información de diversas fuentes para poderdar como resultado un material de apoyo.
La investigación documental consiste en recopilar datos de distintas fuentesuniéndolas y sintetizándolas en un trabajo en concreto y con un fin en particularpudiéndose obtener información de periódicos, revistas, libros, expedientes einclusive del internet que cada vez está más presente en nuestra vida
El cual podrá ser utilizado para apoyar a la educación en distintos ámbitos que esun factor esencial para el desarrollo académico de un estudiante que aspira aterminar una carrera y superarse
Hipótesis
La divulgación del conocimiento es una pilar fundamental en una educación decalidad por lo que la siguiente obra retrata acercando los conocimientos de losmateriales y dispositivos semiconductores, sus tipos, usos e importancia paranuestra sociedad.
Los resultados probables de esta obra plantean un acceso general para cualquierinteresado en el complejo mundo de los semiconductores y que se le facilite el
aprendizaje por medio de este.
Otra de las posibles consecuencias del trabajo es complementar mi vida académicaaplicando los conocimientos adquiridos durante el transcurso de estos tres años depreparación en esta institución de nivel medio superior.
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Capítulo I
Materiales Semiconductores
Un Semiconductor es un elemento que se comporta como un conductor o como un
aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo el campo eléctrico omagnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente enel que se encuentre. Los elementos químicos semiconductores se clasifican deacuerdo a los electrones de valencia que contengan
Tabla 1
Elementos semiconductores de acuerdo a sus electrones de valencia
Elemento Grupo Electrones en la última capa
Cd 12 2
Al, B, In, Ga 13 3
Si, C, Ge 14 4
P, As, Sb 15 5
Se, Te, S 16 6
Tipos de semiconductores
Semiconductor Intrínseco
Es un cristal de silicio o germanio que forma una estructura tetraédrica similar a ladel carbono mediante enlaces covalentes entre sus átomos. Cuando el cristal seencuentra a temperatura ambiente algunos electrones pueden absorber la energíanecesaria para saltar a la banda de conducción dejando el correspondiente huecoen la banda de valencia. Las energías requeridas, a temperatura ambiente, son de1,12 eV y 0,67 eV para el silicio y el germanio respectivamente. (Ver Fig. 1)
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Obviamente el proceso inverso también se produce, de modo que los electronespueden caer, desde el estado energético correspondiente a la banda de conducción,
a un hueco en la banda de valencia liberando energía. A este fenómeno se ledenomina recombinación. Sucede que, a una determinada temperatura, lasvelocidades de creación de pares e-h, y de recombinación se igualan, de modo quela concentración global de electrones y huecos permanece constante. Siendo "n" laconcentración de electrones (cargas negativas) y "p" la concentración de huecos(cargas positivas), se cumple que:
ni = n = p
Siendo ni la concentración intrínseca del semiconductor, función exclusiva de latemperatura y del tipo de elemento.
Ejemplos de valores de n i a temperatura ambiente (27 ºC):
ni(Si) = 1.5 1010cm-3 ni(Ge) = 2.4 1013cm-3
Los electrones y los huecos reciben el nombre de portadores. En lossemiconductores, ambos tipos de portadores contribuyen al paso de la corrienteeléctrica. Si se somete el cristal a una diferencia de potencial se producen doscorrientes eléctricas. Por un lado la debida al movimiento de los electrones libres de
la banda de conducción, y por otro, la debida al desplazamiento de los electronesen la banda de valencia, que tenderán a saltar a los huecos próximos, originandouna corriente de huecos con 4 capas ideales y en la dirección contraria al campoeléctrico cuya velocidad y magnitud es muy inferior a la de la banda de conducción.
Fig. 1
Representación de la estructuratetraédrica del cristal de silicio ogermanio ilustrando los enlacescovalentes
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Semiconductores extrínsecos
Si a un semiconductor intrínseco, como el anterior, se le añade un pequeñoporcentaje de impurezas, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes, elsemiconductor se denomina extrínseco, y se dice que está dopado. Evidentemente,
las impurezas deberán formar parte de la estructura cristalina sustituyendo alcorrespondiente átomo de silicio. Hoy en día se han logrado añadir impurezas deuna parte por cada 10 millones, logrando con ello una modificación del material.
Semiconductor tipo N
Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopadoañadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar elnúmero de portadores de carga libres (en este caso negativos o electrones).
Cuando se añade el material dopante, aporta sus electrones más débilmente
vinculados a los átomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es tambiénconocido como material donante, ya que da algunos de sus electrones.
El propósito del dopaje tipo n es el de producir abundancia de electrones portadoresen el material. Para ayudar a entender cómo se produce el dopaje tipo n considéreseel caso del silicio (Si). Los átomos del silicio tienen una valencia atómica de cuatro,por lo que se forma un enlace covalente con cada uno de los átomos de silicioadyacentes.
Si un átomo con cinco electrones de valencia, tales como los del grupo 15 de latabla periódica (ej. fósforo (P), arsénico (As) o antimonio (Sb)), se incorpora a la redcristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá cuatroenlaces covalentes y un electrón no enlazado. Este electrón extra da como resultadola formación de "electrones libres", el número de electrones en el material superaampliamente el número de huecos, en ese caso los electrones son los portadoresmayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios.
A causa de que los átomos con cinco electrones de valencia tienen un electrón extraque "dar", son llamados átomos donadores. Nótese que cada electrón libre en elsemiconductor nunca está lejos de un ion dopante positivo inmóvil, y el materialdopado tipo N generalmente tiene una carga eléctrica neta final de cero.
Semiconductor tipo P
Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar elnúmero de portadores de carga libres (en este caso positivos o huecos).
Cuando se añade el material dopante libera los electrones más débilmentevinculados de los átomos del semiconductor. Este agente dopante es también
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conocido como material aceptor y los átomos del semiconductor que han perdidoun electrón son conocidos como huecos.
El propósito del dopaje tipo P es el de crear abundancia de huecos. En el caso delsilicio, un átomo tetravalente (típicamente del grupo 14 de la tabla periódica) se le
une un átomo con tres electrones de valencia, tales como los del grupo 13 de latabla periódica (ej. Al, Ga, B, In), y se incorpora a la red cristalina en el lugar de unátomo de silicio, entonces ese átomo tendrá tres enlaces covalentes y un huecoproducido que se encontrará en condición de aceptar un electrón libre.
Así los dopantes crean los "huecos". No obstante, cuando cada hueco se hadesplazado por la red, un protón del átomo situado en la posición del hueco se ve"expuesto" y en breve se ve equilibrado como una cierta carga positiva. Cuando unnúmero suficiente de aceptores son añadidos, los huecos superan ampliamente laexcitación térmica de los electrones.
Así, los huecos son los portadores mayoritarios, mientras que los electrones son losportadores minoritarios en los materiales tipo P. Los diamantes azules, quecontienen impurezas de boro (B), son un ejemplo de un semiconductor tipo P quese produce de manera natural.
Unión PN
Se denomina unión PN a la estructura fundamental de los componentes electrónicoscomúnmente denominados semiconductores, principalmente diodos y transistores. Está formada por la unión metalúrgica de dos cristales, generalmente de silicio (Si),aunque también se fabrican de germanio (Ge), de naturalezas P y N según su
composición a nivel atómico. Estos tipos de cristal se obtienen al dopar cristales demetal puro intencionadamente con impurezas, normalmente con algún otro metal ocompuesto químico. Es la base del funcionamiento de la energía solar fotovoltaica
Los cristales de Silicio están formados a nivel atómico por una malla cristalinabasada en enlaces covalentes que se producen gracias a los 4 electrones (Ver Fig.2) de valencia del átomo de Silicio. Junto con esto existe otro concepto que cabemencionar: el de hueco. Los huecos, como su nombre indica, son el lugar que dejaun electrón cuando deja la capa de valencia y se convierte en un electrón libre.
Fig. 2
Malla cristalina desilicio puro.
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Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado,sustituyéndole algunos de los átomos de un semiconductor intrínseco por átomoscon menos electrones de valencia que el semiconductor anfitrión, normalmentetrivalente, es decir con 3 electrones en la capa de valencia (normalmente boro), alsemiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en
este caso positivos, huecos).Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopadoañadiendo un cierto tipo de elemento, normalmente pentavalente, es decir con 5electrones en la capa de valencia, al semiconductor para poder aumentar el númerode portadores de carga libres (en este caso, negativos, electrones libres).
Cuando el material dopante es añadido, éste aporta sus electrones más débilmentevinculados a los átomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es tambiénconocido como impurezas donantes ya que cede uno de sus electrones alsemiconductor.
Barrera interna de potencial
Al unir ambos cristales, se manifiesta una difusión de electrones del cristal alestablecerse estas corrientes aparecen cargas fijas en una zona a ambos lados dela unión, zona que recibe diferentes denominaciones como barrera interna depotencial, zona de carga espacial, de agotamiento o empobrecimiento, dedepleción, de vaciado, etc. (Ver Fig. 3)
A medida que progresa el proceso de difusión, la zona de carga espacial vaincrementando su anchura profundizando en los cristales a ambos lados de la unión.Sin embargo, la acumulación de iones positivos en la zona n y de iones negativosen la zona p, crea un campo eléctrico (E) que actuará sobre los electrones libres dela zona n con una determinada fuerza de desplazamiento, que se opondrá a lacorriente de electrones y terminará deteniéndolos.
Fig. 3
Formación de la zona de la
barrera interna de potencial.
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Capitulo II
Diodos
Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación
de la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido.De forma simplificada, la curva característica de un diodo (I-V) consta de dosregiones: por debajo de cierta diferencia de potencial, se comporta como un circuitoabierto (no conduce), y por encima de ella como un circuito cerrado con unaresistencia eléctrica muy pequeña. Debido a este comportamiento, se les sueledenominar rectificadores, ya que son dispositivos capaces de suprimir la partenegativa de cualquier señal, como paso inicial para convertir una corriente alternaen corriente continua. Su principio de funcionamiento está basado en losexperimentos de Lee De Forest.
En 1873 Frederick Guthrie descubrió el principio de operación de los diodostérmicos. Guhtrie descubrió que un electroscopio cargado positivamente podríadescargarse al acercarse una pieza de metal caliente, sin necesidad de que éste lotocara. No sucedía lo mismo con un electroscopio cargado negativamente,reflejando esto que el flujo de corriente era posible solamente en una dirección.
Independientemente, el 13 de febrero de 1880 Thomas Edison re-descubre elprincipio. A su vez, Edison investigaba por qué los filamentos de carbón de lasbombillas se quemaban al final del terminal positivo
En 1874 el científico alemán Karl Ferdinand Braun descubrió la naturaleza de
conducir por una sola dirección de los cristales semiconductores. Braun patentó elrectificador de cristal en 1899. Los rectificadores de óxido de cobre y selenio fuerondesarrollados para aplicaciones de alta potencia en la década de los 1930.
Polarización directa de un diodo
En este caso, la batería disminuye la barrera de potencial de la zona de cargaespacial, permitiendo el paso de la corriente de electrones a través de la unión; esdecir, el diodo polarizado directamente conduce la electricidad.
Para que un diodo esté polarizado directamente, se debe conectar el polo positivode la batería al ánodo del diodo y el polo negativo al cátodo. En estas condicionespodemos observar que: (Ver Fig. 4)
El polo negativo de la batería repele los electrones libres del cristal n, con loque estos electrones se dirigen hacia la unión p-n.
El polo positivo de la batería atrae a los electrones de valencia del cristal p,esto es equivalente a decir que empuja a los huecos hacia la unión p-n.
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Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batería es mayor quela diferencia de potencial en la zona de carga espacial, los electrones libresdel cristal n, adquieren la energía suficiente para saltar a los huecos del cristalp, los cuales previamente se han desplazado hacia la unión p-n.
Una vez que un electrón libre de la zona n salta a la zona p atravesando la
zona de carga espacial, cae en uno de los múltiples huecos de la zona pconvirtiéndose en electrón de valencia. Una vez ocurrido esto el electrón esatraído por el polo positivo de la batería y se desplaza de átomo en átomohasta llegar al final del cristal p, desde el cual se introduce en el hilo conductory llega hasta la batería.
De este modo, con la batería cediendo electrones libres a la zona n y atrayendoelectrones de valencia de la zona p, aparece a través del diodo una corrienteeléctrica constante hasta el final.
Polarización inversa de un diodo
En este caso, el polo negativo de la batería se conecta a la zona p y el polo positivo
a la zona n, lo que hace aumentar la zona de carga espacial, y la tensión en dichazona hasta que se alcanza el valor de la tensión de la batería, tal y como se explicaa continuación: (Ver Fig. 5)
El polo positivo de la batería atrae a los electrones libres de la zona n, loscuales salen del cristal n y se introducen en el conductor dentro del cual sedesplazan hasta llegar a la batería. A medida que los electrones libresabandonan la zona n, los átomos pentavalentes que antes eran neutros, alverse desprendidos de su electrón en el orbital de conducción, adquierenestabilidad (8 electrones en la capa de valencia, ver semiconductor y átomo) y una carga eléctrica neta de +1, con lo que se convierten en iones positivos.
El polo negativo de la batería cede electrones libres a los átomos trivalentesde la zona p. Recordemos que estos átomos sólo tienen 3 electrones devalencia, con lo que una vez que han formado los enlaces covalentes con losátomos de silicio, tienen solamente 7 electrones de valencia, siendo elelectrón que falta el denominado hueco. El caso es que cuando los electroneslibres cedidos por la batería entran en la zona p, caen dentro de estos huecoscon lo que los átomos trivalentes adquieren estabilidad (8 electrones en su
Fig. 4 polarización directa de un
diodo
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orbital de valencia) y una carga eléctrica neta de -1, convirtiéndose así eniones negativos.
Este proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga espacialadquiere el mismo potencial eléctrico que la batería.
En esta situación, el diodo no debería conducir la corriente; sin embargo, debido alefecto de la temperatura se formarán pares electrón-hueco a ambos lados de launión produciendo una pequeña corriente (del orden de 1 μ A) denominada corrienteinversa de saturación. Además, existe también una denominada corriente superficialde fugas la cual, como su propio nombre indica, conduce una pequeña corriente porla superficie del diodo; ya que en la superficie, los átomos de silicio no estánrodeados de suficientes átomos para realizar los cuatro enlaces covalentesnecesarios para obtener estabilidad. Esto hace que los átomos de la superficie deldiodo, tanto de la zona n como de la p, tengan huecos en su orbital de valencia conlo que los electrones circulan sin dificultad a través de ellos. No obstante, al igualque la corriente inversa de saturación, la corriente superficial de fuga esdespreciable.
Curva característica del diodoTensión umbral, de codo o de partida (Vγ ). La tensión umbral (también llamadabarrera de potencial) de polarización directa coincide en valor con la tensión de lazona de carga espacial del diodo no polarizado. Al polarizar directamente el diodo,la barrera de potencial inicial se va reduciendo, incrementando la corrienteligeramente, alrededor del 1% de la nominal. Sin embargo, cuando la tensiónexterna supera la tensión umbral, la barrera de potencial desaparece, de forma quepara pequeños incrementos de tensión se producen grandes variaciones de laintensidad de corriente. (Ver Fig. 6)
Corriente máxima (Imax ). Es la intensidad de corriente máxima que puede conducirel diodo sin fundirse por el efecto Joule. Dado que es función de la cantidad de calorque puede disipar el diodo, depende sobre todo del diseño del mismo.
Corriente inversa de saturación (Is ). Es la pequeña corriente que se establece alpolarizar inversamente el diodo por la formación de pares electrón-hueco debido ala temperatura, admitiéndose que se duplica por cada incremento de 10 °C en latemperatura.
Fig. 5 polarización
inversa de un diodo
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Corriente superficial de fugas. Es la pequeña corriente que circula por la superficiedel diodo (ver polarización inversa), esta corriente es función de la tensión aplicadaal diodo, con lo que al aumentar la tensión, aumenta la corriente superficial de fugas.
Tensión de ruptura (Vr ) Es la tensión inversa máxima que el diodo puede soportar
antes de darse el efecto avalancha.
Teóricamente, al polarizar inversamente el diodo, este conducirá la corriente inversade saturación; en la realidad, a partir de un determinado valor de la tensión, en eldiodo normal o de unión abrupta la ruptura se debe al efecto avalancha; no obstantehay otro tipo de diodos, como los Zener, en los que la ruptura puede deberse a dosefectos:
Efecto avalancha (diodos poco dopados). En polarización inversa se generanpares electrón-hueco que provocan la corriente inversa de saturación; si la
tensión inversa es elevada los electrones se aceleran incrementando suenergía cinética de forma que al chocar con electrones de valencia puedenprovocar su salto a la banda de conducción. Estos electrones liberados, a suvez, se aceleran por efecto de la tensión, chocando con más electrones devalencia y liberándolos a su vez. El resultado es una avalancha de electronesque provoca una corriente grande. Este fenómeno se produce para valoresde la tensión superiores a 6 V.
Efecto Zener (diodos muy dopados). Cuanto más dopado está el material,menor es la anchura de la zona de carga. Puesto que el campo eléctrico Epuede expresarse como cociente de la tensión V entre la distancia d; cuandoel diodo esté muy dopado, y por tanto d sea pequeño, el campo eléctrico serágrande, del orden de 3·105 V/cm. En estas condiciones, el propio campopuede ser capaz de arrancar electrones de valencia incrementándose lacorriente. Este efecto se produce para tensiones de 4 V o menores.
Para tensiones inversas entre 4 y 6 V la ruptura de estos diodos especiales, comolos Zener, se puede producir por ambos efectos.
Fig. 6 Curva característica del
diodo.
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Modelos matemáticos
El modelo matemático más empleado es el de Shockley (en honor a WilliamBradford Shockley) que permite aproximar el comportamiento del diodo en lamayoría de las aplicaciones. La ecuación que liga la intensidad de corriente y la
diferencia de potencial es:
Donde:
I es la intensidad de la corriente que atraviesa el diodo VD es la diferencia de tensión entre sus extremos.
IS es la corriente de saturación (aproximadamente ) n es el coeficiente de emisión, dependiente del proceso de fabricación del
diodo y que suele adoptar valores entre 1 (para el germanio) y del orden de2 (para el silicio).
El Voltaje térmico V T es aproximadamente 25.85mV en 300K, una temperaturacercana a la temperatura ambiente, muy usada en los programas de simulación decircuitos. Para cada temperatura existe una constante conocida definida por:
Donde k es la constante de Boltzmann, T es la temperatura absoluta de la unión pn,
y q es la magnitud de la carga de un electrón (la carga elemental).
La ecuación de diodo ideal de Shockley o la ley de diodo se deriva de asumir quesolo los procesos que le dan corriente al diodo son por el flujo (debido al campoeléctrico), difusión, y la recombinación térmica. También asume que la corriente derecombinación en la región de agotamiento es insignificante. Esto significa que laecuación de Shockley no tiene en cuenta los procesos relacionados con la regiónde ruptura e inducción por fotones. Adicionalmente, no describe la estabilización dela curva I-V en polarización activa debido a la resistencia interna.
Bajo voltajes negativos, la exponencial en la ecuación del diodo es insignificante. y
la corriente es una constante negativa del valor de Is. La región de ruptura no estámodelada en la ecuación de diodo de Shockley.
Para voltajes grandes, en la región de polarización directa, se puede eliminar el 1de la ecuación, quedando como resultado:
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Con objeto de evitar el uso de exponenciales, en ocasiones se emplean modelosmás simples aún, que modelan las zonas de funcionamiento del diodo por tramosrectos; son los llamados modelos de continua o de Ram-señal. El más simple detodos es el diodo ideal.
Tipos de diodosDiodo avalancha:
Un diodo avalancha, es un dispositivo semiconductor diseñado especialmente paratrabajar en tensión inversa. En estos diodos, poco dopados, cuando la tensión enpolarización inversa alcanza el valor de la tensión de ruptura, los electrones que hansaltado a la banda de conducción por efecto de la temperatura se aceleran debidoal campo eléctrico incrementando su energía cinética, de forma que al colisionarcon electrones de valencia los liberan; éstos a su vez, se aceleran y colisionan conotros electrones de valencia liberándolos también, produciéndose una avalancha de
electrones cuyo efecto es incrementar la corriente conducida por el diodo sin apenasincremento de la tensión.
Diodo túnel
El Diodo túnel es un diodo semiconductor que tiene una unión pn, en la cual seproduce el efecto túnel que da origen a una conductancia diferencial negativa en uncierto intervalo de la característica corriente-tensión.
La presencia del tramo de resistencia negativa permite su utilización comocomponente activo (amplificador /oscilador).
También se conocen como diodos Esaki, en honor del hombre que descubrió queuna fuerte contaminación con impurezas podía causar un efecto de tunelización delos portadores de carga a lo largo de la zona de agotamiento en la unión.
Fotodiodo
Todos los semiconductores están sujetos a portadores de carga ópticos.Generalmente es un efecto no deseado, por lo que muchos de los semiconductoresestán empacados en materiales que bloquean el paso de la luz. Los fotodiodostienen la función de ser sensibles a la luz (fotocelda), por lo que están empacadosen materiales que permiten el paso de la luz y son por lo general PIN (tipo de diodo
más sensible a la luz). Un fotodiodo puede usarse en celdas solares, en fotometríao en comunicación óptica. Varios fotodiodos pueden empacarse en un dispositivocomo un arreglo lineal o como un arreglo de dos dimensiones. Estos arreglos nodeben confundirse con los dispositivos de carga acoplada.
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Diodo LED
LED (Light emmiting diode) o diodo emisor de luz
Los ledes se usan como indicadores en muchos dispositivos y en iluminación. Losprimeros ledes emitían luz roja de baja intensidad, pero los dispositivos actualesemiten luz de alto brillo en el espectro infrarrojo, visible y ultravioleta. (Ver Fig. 7)
Debido a su capacidad de operación a altas frecuencias, son también útiles entecnologías avanzadas de comunicaciones y control. Los ledes infrarrojos tambiénse usan en unidades de control remoto de muchos productos comercialesincluyendo equipos de audio y video.
Características
Formas de determinar la polaridad de un led de inserción
Existen tres formas principales de conocer la polaridad de un led:
La pata más larga siempre va a ser el ánodo. En el lado del cátodo, la base del led tiene un borde plano. Dentro del led, la plaqueta indica el ánodo. Se puede reconocer porque es
más pequeña que el yunque, que indica el cátodo.
Ventajas y desventajas
Los ledes presentan muchas ventajas sobre las fuentes de luz incandescente yfluorescente, tales como: el bajo consumo de energía, un mayor tiempo de vida,tamaño reducido, resistencia a las vibraciones, reducida emisión de calor, nocontienen mercurio (el cual al exponerse en el medio ambiente es altamente nocivo),en comparación con la tecnología fluorescente, no crean campos magnéticos altoscomo la tecnología de inducción magnética, con los cuales se crea mayor radiación
Fig. 7 diodo emisor de luz (LED)
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residual hacia el ser humano; reducen ruidos en las líneas eléctricas, son especialespara utilizarse con sistemas fotovoltaicos (paneles solares) en comparación concualquier otra tecnología actual; no les afecta el encendido intermitente (es decirpueden funcionar como luces estroboscópicas) y esto no reduce su vida promedio,son especiales para sistemas anti explosión ya que cuentan con un material
resistente, y en la mayoría de los colores (a excepción de los ledes azules), cuentancon un alto nivel de fiabilidad y duración.
Visión general
Los ledes se usan como indicadores en muchos dispositivos y en iluminación. Losprimeros ledes emitían luz roja de baja intensidad, pero los dispositivos actualesemiten luz de alto brillo en el espectro infrarrojo, visible y ultravioleta.
Debido a su capacidad de operación a altas frecuencias, son también útiles entecnologías avanzadas de comunicaciones y control. Los ledes infrarrojos también
se usan en unidades de control remoto de muchos productos comercialesincluyendo equipos de audio y video.
Polaridad
Formas de determinar la polaridad de un led de inserción
Existen tres formas principales de conocer la polaridad de un led:
La pata más larga siempre va a ser el ánodo
En el lado del cátodo, la base del led tiene un borde plano.
Dentro del led, la plaqueta indica el ánodo. Se puede reconocer porque esmás pequeña que el yunque, que indica el cátodo.
Tecnología de fabricación
En corriente continua (CC), todos los diodos emiten cierta cantidad de radiacióncuando los pares electrón-hueco se recombinan; es decir, cuando los electronescaen desde la banda de conducción (de mayor energía) a la banda de valencia (demenor energía) emitiendo fotones en el proceso. Indudablemente, por ende, su colordependerá de la altura de la banda prohibida (diferencias de energía entre lasbandas de conducción y valencia), es decir, de los materiales empleados. Los
diodos convencionales, de silicio o germanio, emiten radiación infrarroja muyalejada del espectro visible. Sin embargo, con materiales especiales puedenconseguirse longitudes de onda visibles. Los ledes e IRED (diodos infrarrojos),además, tienen geometrías especiales para evitar que la radiación emitida seareabsorbida por el material circundante del propio diodo, lo que sucede en losconvencionales.
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Tabla 2
Compuestos empleados en la construcción de ledes
Compuesto Color Long. de onda
arseniuro de galio (GaAs) Infrarrojo 940 nm
arseniuro de galio y aluminio (AlGaAs) rojo e infrarrojo 890 nm
arseniuro fosfuro de galio (GaAsP) rojo, anaranjado y amarillo 630 nm
fosfuro de galio (GaP) verde 555 nm
nitruro de galio (GaN) verde 525 nm
seleniuro de cinc (ZnSe) azul
nitruro de galio e indio (InGaN) azul 450 nm
carburo de silicio (SiC) azul 480 nm
diamante (C) ultravioleta
Los primeros ledes construidos fueron los diodos infrarrojos y de color rojo,permitiendo el desarrollo tecnológico posterior la construcción de diodos paralongitudes de onda cada vez menores. En particular, los diodos azules fueron
desarrollados a finales de los años noventa por Shuji Nakamura, añadiéndose a losrojos y verdes desarrollados con anterioridad, lo que permitió —por combinación delos mismos— la obtención de luz blanca. El diodo de seleniuro de cinc puede emitirtambién luz blanca si se mezcla la luz azul que emite con la roja y verde creada porfotoluminiscencia. La más reciente innovación en el ámbito de la tecnología led sonlos ledes ultravioleta, que se han empleado con éxito en la producción de luz negrapara iluminar materiales fluorescentes. Tanto los ledes azules como los ultravioletasson caros respecto a los más comunes (rojo, verde, amarillo e infrarrojo), siendo porello menos empleados en las aplicaciones comerciales.
Los ledes comerciales típicos están diseñados para potencias del orden de los 30 a
60 mW. En torno a 1999 se introdujeron en el mercado diodos capaces de trabajarcon potencias de 1 vatio para uso continuo; estos diodos tienen matricessemiconductoras de dimensiones mucho mayores para poder soportar talespotencias e incorporan aletas metálicas para disipar el calor (véase convección) generado por el efecto Joule.
Hoy en día se están desarrollando y empezando a comercializar ledes conprestaciones muy superiores a las de hace unos años y con un futuro prometedor
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en diversos campos, incluso en aplicaciones generales de iluminación. Comoejemplo, se puede destacar que Nichia Corporation ha desarrollado ledes de luzblanca con una eficiencia luminosa de 150 lm/W utilizando para ello una corrientede polarización directa de 20 miliamperios (mA). Esta eficiencia, comparada conotras fuentes de luz solamente en términos de rendimiento, es aproximadamente
1,7 veces superior a la de la lámpara fluorescente con prestaciones de color altas(90 lm/W) y aproximadamente 11,5 veces la de una lámpara incandescente(13 lm/W). Su eficiencia es incluso más alta que la de la lámpara de vapor de sodiode alta presión (132 lm/W), que está considerada como una de las fuentes de luzmás eficientes.
Funcionamiento de un LED
El funcionamiento normal consiste en que, en los materiales conductores, unelectrón, al pasar de la banda de conducción a la de valencia, pierde energía; estaenergía perdida se manifiesta en forma de un fotón desprendido, con una amplitud,
una dirección y una fase aleatoria. El que esa energía pérdida, cuando pasa unelectrón de la banda de conducción a la de valencia, se manifieste como un fotóndesprendido o como otra forma de energía (calor por ejemplo) dependeprincipalmente del tipo de material semiconductor. Cuando un diodo semiconductorse polariza directamente, los huecos de la zona positiva se mueven hacia la zonanegativa y los electrones se mueven de la zona negativa hacia la zona positiva;ambos desplazamientos de cargas constituyen la corriente que circula por el diodo.
Si los electrones y huecos están en la misma región, pueden recombinarse, es decir,los electrones pueden pasar a "ocupar" los huecos "cayendo" desde un nivelenergético superior a otro inferior más estable. Este proceso emite con frecuencia
un fotón en semiconductores de banda prohibida directa (direct bandgap) con laenergía correspondiente a su banda prohibida (véase semiconductor). Esto noquiere decir que en los demás semiconductores (semiconductores de bandaprohibida indirecta (indirect bandgap) no se produzcan emisiones en forma defotones; sin embargo, estas emisiones son mucho más probables en lossemiconductores de banda prohibida directa (como el nitruro de galio) que en lossemiconductores de banda prohibida indirecta (como el silicio). (Ver Fig. 8)
La emisión espontánea, por tanto, no se produce de forma notable en todos losdiodos y solo es visible en diodos como los ledes de luz visible, que tienen unadisposición constructiva especial con el propósito de evitar que la radiación sea
reabsorbida por el material circundante, y una energía de la banda prohibidacoincidente con la correspondiente al espectro visible. En otros diodos, la energíase libera principalmente en forma de calor, radiación infrarroja o radiaciónultravioleta. En el caso de que el diodo libere la energía en forma de radiaciónultravioleta, se puede conseguir aprovechar esta radiación para producir radiaciónvisible mediante sustancias fluorescentes o fosforescentes que absorban laradiación ultravioleta emitida por el diodo y posteriormente emitan luz visible.
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El dispositivo semiconductor está comúnmente encapsulado en una cubierta deplástico de mayor resistencia que las de vidrio que usualmente se emplean en las
lámparas incandescentes. Aunque el plástico puede estar coloreado, es solo porrazones estéticas, ya que ello no influye en el color de la luz emitida. Usualmenteun led es una fuente de luz compuesta con diferentes partes, razón por la cual elpatrón de intensidad de la luz emitida puede ser bastante complejo. (Ver Fig. 9)
Para obtener buena intensidad luminosa debe escogerse bien la corriente queatraviesa el led. Para ello hay que tener en cuenta que el voltaje de operación vadesde 1,8 hasta 3,8 voltios aproximadamente (lo que está relacionado con el
material de fabricación y el color de la luz que emite) y la gama de intensidades quedebe circular por él varía según su aplicación. Los valores típicos de corrientedirecta de polarización de un led corriente están comprendidos entre los 10 y los40 mA. En general, los ledes suelen tener mejor eficiencia cuanto menor es lacorriente que circula por ellos, con lo cual, en su operación de forma optimizada, sesuele buscar un compromiso entre la intensidad luminosa que producen (mayorcuanto más grande es la intensidad que circula por ellos) y la eficiencia (mayorcuanto menor es la intensidad que circula por ellos). El primer led que emitía en el
Fig. 8 partes de un led
A ÁnodoB Cátodo1 Lente/encapsulado2 Contacto metálico3 Cavidad reflectora4 Terminación delsemiconductor5 Yunque6 Poste7 Marco conductor8 Borde plano
Fig. 9 ledes de colores
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espectro visible fue desarrollado por el ingeniero de General Electric Nick Holonyaken 1962.
Diagramas
Para conectar ledes de modo que iluminen de forma continua, deben estarpolarizados directamente, es decir, con el polo positivo de la fuente de alimentaciónconectada al ánodo y el polo negativo conectado al cátodo. Además, la fuente dealimentación debe suministrarle una tensión o diferencia de potencial superior a sutensión umbral. Por otro lado, se debe garantizar que la corriente que circula porellos no exceda los límites admisibles, lo que dañaría irreversiblemente al led. (Estose puede hacer de manera sencilla con una resistencia R en serie con los ledes).En las dos imágenes de la derecha pueden verse unos circuitos sencillos quemuestran cómo polarizar directamente ledes. (Ver Fig. 10)
Fig. 10 circuito básico de
encendido de un LED
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La diferencia de potencial varía de acuerdo a las especificaciones relacionadas conel color y la potencia soportada.
En términos generales, pueden considerarse de forma aproximada los siguientesvalores de diferencia de potencial:
Rojo = 1,8 a 2,2 voltios. Anaranjado = 2,1 a 2,2 voltios. Amarillo = 2,1 a 2,4 voltios. Verde = 2 a 3,5 voltios. Azul = 3,5 a 3,8 voltios. Blanco = 3,6 voltios.
Luego, mediante la ley de Ohm, puede calcularse la resistencia R adecuada para latensión de la fuente Vfuente que utilicemos.
En la fórmula, el término I se refiere al valor de corriente para la intensidad luminosaque necesitamos. Lo común es de 10 miliamperios para ledes de baja luminosidady 20 mA para ledes de alta luminosidad; un valor superior puede inutilizar el led oreducir de manera considerable su tiempo de vida.
Otros ledes de una mayor capacidad de corriente, conocidos como ledes depotencia (1 W, 3 W, 5 W, etc.), pueden ser usados a 150 mA, 350 mA, 750 mA oincluso a 3000 mA dependiendo de las características opto eléctricas dadas por el
fabricante.
Cabe recordar que también pueden conectarse varios en serie, sumándose lasdiferencias de potencial en cada uno. También se pueden hacer configuraciones enparalelo, aunque este tipo de configuraciones no son muy recomendadas paradiseños de circuitos con ledes eficientes.
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Capitulo III
Transistores
El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor utilizado para entregar una
señal de salida en respuesta a una señal de entrada. Cumple funciones deamplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El término «transistor» es lacontracción en inglés de transfer resistor («resistor de transferencia»). Actualmentese encuentran prácticamente en todos los aparatos electrónicos de uso diario:radios, televisores, reproductores de audio y video, relojes de cuarzo, computadoras, lámparas fluorescentes, tomógrafos, teléfonos celulares, entre otros.(Ver Fig. 11)
Historia del transistor
El transistor bipolar fue inventado en los Laboratorios Bell de Estados Unidos endiciembre de 1947 por John Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford
Shockley, quienes fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 1956. Fueel sustituto de la válvula termoiónica de tres electrodos, o triodo.
El transistor de efecto campo fue patentado antes que el transistor BJT (en 1930),pero no se disponía de la tecnología necesaria para fabricarlos masivamente.
Es por ello que al principio se usaron transistores bipolares y luego los denominadostransistores de efecto de campo (FET). En los últimos, la corriente entre el surtidor
Fig. 11 transistores
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o fuente (source) y el drenaje (drain) se controla mediante el campo eléctricoestablecido en el canal. Por último, apareció el MOSFET (transistor FET de tipoMetal-Óxido-Semiconductor). Los MOSFET permitieron un diseño extremadamentecompacto, necesario para los circuitos altamente integrados (CI).
Hoy la mayoría de los circuitos se construyen con tecnología CMOS. La tecnologíaCMOS (Complementary MOS ó MOS Complementario) es un diseño con dosdiferentes MOSFET (MOSFET de canal n y p), que se complementan mutuamentey consumen muy poca corriente en un funcionamiento sin carga.
El transistor consta de un sustrato (usualmente silicio) y tres partes dopadasartificialmente (contaminadas con materiales específicos en cantidades específicas)que forman dos uniones bipolares, el emisor que emite portadores, el colector quelos recibe o recolecta y la tercera, que está intercalada entre las dos primeras,modula el paso de dichos portadores (base). A diferencia de las válvulas, eltransistor es un dispositivo controlado por corriente y del que se obtiene corriente
amplificada. En el diseño de circuitos a los transistores se les considera un elementoactivo, a diferencia de los resistores, condensadores e inductores que sonelementos pasivos. Su funcionamiento sólo puede explicarse mediante mecánicacuántica.
De manera simplificada, la corriente que circula por el colector es funciónamplificada de la que se inyecta en el emisor, pero el transistor sólo gradúa lacorriente que circula a través de sí mismo, si desde una fuente de corriente continuase alimenta la base para que circule la carga por el colector, según el tipo de circuitoque se utilice. El factor de amplificación o ganancia logrado entre corriente decolector y corriente de base, se denomina Beta del transistor. Otros parámetros atener en cuenta y que son particulares de cada tipo de transistor son: Tensiones deruptura de Colector Emisor, de Base Emisor, de Colector Base, Potencia Máxima,disipación de calor, frecuencia de trabajo, y varias tablas donde se grafican losdistintos parámetros tales como corriente de base, tensión Colector Emisor, tensiónBase Emisor, corriente de Emisor, etc. Los tres tipos de esquemas (configuraciones)básicos para utilización analógica de los transistores son emisor común, colectorcomún y base común. (Ver Fig. 12)
Fig. 12 símbolos de los
transistores NPN y PNP
respectivamente
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Modelos posteriores al transistor descrito, el transistor bipolar (transistores FET,MOSFET, JFET, CMOS, VMOS, etc.) no utilizan la corriente que se inyecta en elterminal de base para modular la corriente de emisor o colector, sino la tensiónpresente en el terminal de puerta o reja de control (graduador) y gradúa laconductancia del canal entre los terminales de Fuente y Drenaje. Cuando la
conductancia es nula y el canal se encuentra estrangulado, por efecto de la tensiónaplicada entre Compuerta y Fuente, es el campo eléctrico presente en el canal elresponsable de impulsar los electrones desde la fuente al drenaje. De este modo,la corriente de salida en la carga conectada al Drenaje (D) será función amplificadade la Tensión presente entre la Compuerta (Gate) y Fuente (Source). Sufuncionamiento es análogo al del triodo, con la salvedad que en el triodo losequivalentes a Compuerta, Drenador y Fuente son Reja (o Grilla Control), Placa yCátodo.
Los transistores de efecto de campo son los que han permitido la integración a granescala disponible hoy en día; para tener una idea aproximada pueden fabricarsevarios cientos de miles de transistores interconectados, por centímetro cuadrado yen varias capas superpuestas.
Tipos de transistor
Transistor de contacto puntual
Llamado también «transistor de punta de contacto», fue el primer transistor capazde obtener ganancia, inventado en 1947 por John Bardeen y Walter Brattain. Constade una base de germanio, semiconductor para entonces mejor conocido que lacombinación cobre-óxido de cobre, sobre la que se apoyan, muy juntas, dos puntas
metálicas que constituyen el emisor y el colector. La corriente de base es capaz demodular la resistencia que se «ve» en el colector, de ahí el nombre de transferresistor . Se basa en efectos de superficie, poco conocidos en su día. Es difícil defabricar (las puntas se ajustaban a mano), frágil (un golpe podía desplazar laspuntas) y ruidoso. Sin embargo convivió con el transistor de unión (W. Shockley,1948) debido a su mayor ancho de banda. En la actualidad ha desaparecido
Transistor de unión bipolar
El transistor de unión bipolar (o BJT, por sus siglas del inglés bipolar junctiontransistor) se fabrica básicamente sobre un monocristal de Germanio, Silicio o
Arseniuro de galio, que tienen cualidades de semiconductores, estado intermedioentre conductores como los metales y los aislantes como el diamante. Sobre elsustrato de cristal, se contaminan en forma muy controlada tres zonas, dos de lascuales son del mismo tipo, NPN o PNP, quedando formadas dos uniones NP. (VerFig. 13)
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La zona N con elementos donantes de electrones (cargas negativas) y la zona P deaceptadores o «huecos» (cargas positivas). Normalmente se utilizan comoelementos aceptadores P al Indio (In), Aluminio (Al) o Galio (Ga) y donantes N al
Arsénico (As) o Fósforo (P).
La configuración de uniones PN, dan como resultado transistores PNP o NPN,donde la letra intermedia siempre corresponde a la característica de la base, y lasotras dos al emisor y al colector que, si bien son del mismo tipo y de signo contrarioa la base, tienen diferente contaminación entre ellas (por lo general, el emisor estámucho más contaminado que el colector).
El mecanismo que representa el comportamiento semiconductor dependerá dedichas contaminaciones, de la geometría asociada y del tipo de tecnología decontaminación (difusión gaseosa, epitaxial, etc.) y del comportamiento cuántico dela unión.
Transistor de efecto de campo
El transistor de efecto de campo de unión (JFET), fue el primer transistor de efectode campo en la práctica. Lo forma una barra de material semiconductor de silicio detipo N o P. En los terminales de la barra se establece un contacto óhmico, tenemosasí un transistor de efecto de campo tipo N de la forma más básica. Si se difundendos regiones P en una barra de material N y se conectan externamente entre sí, seproducirá una puerta. A uno de estos contactos le llamaremos surtidor y al otrodrenador. Aplicando tensión positiva entre el drenador y el surtidor y conectando lapuerta al surtidor, estableceremos una corriente, a la que llamaremos corriente de
Fig. 13 Transistor bipolar
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drenador con polarización cero. Con un potencial negativo de puerta al quellamamos tensión de estrangulamiento, cesa la conducción en el canal.
El transistor de efecto de campo, o FET por sus siglas en inglés, que controla lacorriente en función de una tensión; tienen alta impedancia de entrada.
Transistor de efecto de campo de unión, JFET, construido mediante unaunión PN.
Transistor de efecto de campo de compuerta aislada, IGFET, en el que lacompuerta se aísla del canal mediante un dieléctrico.
Transistor de efecto de campo MOS, MOSFET, donde MOS significa Metal-Óxido-Semiconductor, en este caso la compuerta es metálica y estáseparada del canal semiconductor por una capa de óxido.
Fototransistor
Los fototransistores son sensibles a la radiación electromagnética en frecuenciascercanas a la de la luz visible; debido a esto su flujo de corriente puede ser reguladopor medio de la luz incidente. Un fototransistor es, en esencia, lo mismo que untransistor normal, sólo que puede trabajar de 2 maneras diferentes: (Ver Fig. 14)
Como un transistor normal con la corriente de base (IB) (modo común);
Como fototransistor, cuando la luz que incide en este elemento hace lasveces de corriente de base. (IP) (modo de iluminación).
Transistores y electrónica de potencia
Con el desarrollo tecnológico y evolución de la electrónica, la capacidad de los
dispositivos semiconductores para soportar cada vez mayores niveles de tensión ycorriente ha permitido su uso en aplicaciones de potencia. Es así como actualmentelos transistores son empleados en conversores estáticos de potencia, controles paramotores y llaves de alta potencia (principalmente inversores), aunque su principaluso está basado en la amplificación de corriente dentro de un circuito cerrado
Fig. 14 Fototransistor
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El transistor como amplificador
El comportamiento del transistor se puede ver como dos diodos (Modelo de Ebers-Moll), uno entre base y emisor, polarizado en directo y otro diodo entre base ycolector, polarizado en inverso. Esto quiere decir que entre base y emisor tendremos
una tensión igual a la tensión directa de un diodo, es decir 0,6 a 0,8 V para untransistor de silicio y unos 0,4 para el germanio.
Lo interesante del dispositivo es que en el colector tendremos una corrienteproporcional a la corriente de base: IC = β IB, es decir, ganancia de corriente cuandoβ>1. Para transistores normales de señal, β varía entre 100 y 300.
Entonces, existen tres configuraciones para el amplificador
Emisor común
La señal se aplica a la base del transistor y se extrae por el colector. El emisor seconecta a las masas tanto de la señal de entrada como a la de salida. En estaconfiguración se tiene ganancia tanto de tensión como de corriente. En caso detener resistencia de emisor, RE > 50 Ω, y para frecuencias bajas, la ganancia entensión se aproxima bastante bien por la siguiente expresión; y la impedancia desalida, por RC
Como la base está conectada al emisor por un diodo en directo, entre ellos podemos
suponer una tensión constante, Vg. También supondremos que β es constante.Entonces tenemos que la tensión de emisor es:
Y la corriente de emisor
.
Base común
La señal se aplica al emisor del transistor y se extrae por el colector. La base seconecta a las masas tanto de la señal de entrada como a la de salida. En estaconfiguración se tiene ganancia sólo de tensión. La impedancia de entrada es bajay la ganancia de corriente algo menor que uno, debido a que parte de la corrientede emisor sale por la base. Si añadimos una resistencia de emisor, que puede ser
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la propia impedancia de salida de la fuente de señal, un análisis similar al realizadoen el caso de emisor común, nos da la ganancia aproximada siguiente
.
La base común se suele utilizar para adaptar fuentes de señal de baja impedanciade salida como, por ejemplo, micrófonos dinámicos.
Colector común
La señal se aplica a la base del transistor y se extrae por el emisor. El colector seconecta a las masas tanto de la señal de entrada como a la de salida. En estaconfiguración se tiene ganancia de corriente, pero no de tensión que es ligeramenteinferior a la unidad. La impedancia de entrada es alta, aproximadamente β+1 vecesla impedancia de carga. Además, la impedancia de salida es baja,
aproximadamente β veces menor que la de la fuente de señal. (Ver Fig. 15)
Fig. 15 Diagrama de
amplificación de voltaje
por medio de un
transistor
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Capitulo IV
Tiristores
El tiristor (puerta) es un componente electrónico constituido por elementos
semiconductores que utiliza realimentación interna para producir una conmutación.Los materiales de los que se compone son de tipo semiconductor, es decir,dependiendo de la temperatura a la que se encuentren pueden funcionar comoaislantes o como conductores. Son dispositivos unidireccionales porque solamentetransmiten la corriente en un único sentido. Se emplea generalmente para el controlde potencia eléctrica.
El dispositivo consta de un ánodo y un cátodo, donde las uniones son de tipo PNPNentre los mismos. Por tanto se puede modelar como 2 transistores típicos PNP yNPN, por eso se dice también que el tiristor funciona con tensión realimentada. Secrean así 3 uniones (denominadas J1, J2, J3 respectivamente), el terminal de puerta
está conectado a la unión J2 (unión NP).
Este elemento fue desarrollado por ingenieros de General Electric en los años 1960. Aunque un origen más remoto de este dispositivo lo encontramos en el SCR creadopor William Shockley (premio Nobel de física en 1956) en 1950, el cual fue defendidoy desarrollado en los laboratorios Bell en 1956. Gordon Hall lideró el desarrollo enMorgan Stanley para su posterior comercialización por parte de Frank W. "Bill"Gutzwiller, de General Electric.
Formas de activar un tiristor
Luz: Si un haz de luz incide en las uniones de un tiristor, hasta llegar al mismo silicio, el número de pares electrón-hueco aumentará pudiéndose activar el tiristor.
Corriente de Compuerta: Para un tiristor polarizado en directa, la inyección de unacorriente de compuerta al aplicar un voltaje positivo entre compuerta y cátodo loactivará. Si aumenta esta corriente de compuerta, disminuirá el voltaje de bloqueodirecto, revirtiendo en la activación del dispositivo.
Térmica: Una temperatura muy alta en el tiristor produce el aumento del número depares electrón-hueco, por lo que aumentarán las corrientes de fuga, con lo cual alaumentar la diferencia entre ánodo y cátodo, y gracias a la acción regenerativa, estacorriente puede llegar a ser 1, y el tiristor puede activarse. Este tipo de activaciónpodría comprender una fuga térmica, normalmente cuando en un diseño seestablece este método como método de activación, esta fuga tiende a evitarse.
Alto Voltaje: Si el voltaje directo desde el ánodo hacia el cátodo es mayor que elvoltaje de ruptura directo, se creará una corriente de fuga lo suficientemente grandepara que se inicie la activación con retroalimentación. Normalmente este tipo deactivación puede dañar el dispositivo, hasta el punto de destruirlo.
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Elevación del voltaje ánodo-cátodo: Si la velocidad en la elevación de este voltajees lo suficientemente alta, entonces la corriente de las uniones puede ser suficientepara activar el tiristor. Este método también puede dañar el dispositivo
Funcionamiento básico
El tiristor es un conmutador biestable, es decir, es el equivalente electrónico de losinterruptores mecánicos; por tanto, es capaz de dejar pasar plenamente o bloquearpor completo el paso de la corriente sin tener nivel intermedio alguno, aunque noson capaces de soportar grandes sobrecargas de corriente. Este principio básicopuede observarse también en el diodo Shockley.
El diseño del tiristor permite que éste pase rápidamente a encendido al recibir unpulso momentáneo de corriente en su terminal de control, denominada puerta (o en
inglés, gate) (Ver Fig. 16) cuando hay una tensión positiva entre ánodo y cátodo, esdecir la tensión en el ánodo es mayor que en el cátodo. Solo puede ser apagadocon la interrupción de la fuente de voltaje, abriendo el circuito, o bien, haciendopasar una corriente en sentido inverso por el dispositivo. Si se polariza inversamenteen el tiristor existirá una débil corriente inversa de fugas hasta que se alcance elpunto de tensión inversa máxima, provocándose la destrucción del elemento (poravalancha en la unión).
Para que el dispositivo pase del estado de bloqueo al estado activo, debe generarseuna corriente de enganche positiva en el ánodo, y además debe haber una pequeñacorriente en la compuerta capaz de provocar una ruptura por avalancha en la uniónJ2 para hacer que el dispositivo conduzca. Para que el dispositivo siga en el estadoactivo se debe inducir desde el ánodo una corriente de sostenimiento, mucho menor
que la de enganche, sin la cual el dispositivo dejaría de conducir.
A medida que aumenta la corriente de puerta se desplaza el punto de disparo. Sepuede controlar así la tensión necesaria entre ánodo y cátodo para la transición OFF-> ON, usando la corriente de puerta adecuada (la tensión entre ánodo y cátododependen directamente de la tensión de puerta pero solamente para OFF -> ON).Cuanto mayor sea la corriente suministrada al circuito de puerta IG (intensidad de
Fig. 16 Símbolo de un tiristor
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puerta), tanto menor será la tensión ánodo-cátodo necesaria para que el tiristorconduzca.
También se puede hacer que el tiristor empiece a conducir si no existe intensidadde puerta y la tensión ánodo-cátodo es mayor que la tensión de bloqueo
Fabricación
Técnica de Difusión-Aleación: La parte principal del tiristor está compuesta por undisco de silicio de material tipo N, 2 uniones se obtienen en una operación dedifusión con galio, el cual dopa con impurezas tipo P las 2 caras del disco. En lacara exterior se forma una unión, con un contacto oro-antimonio. Los contactos delánodo y cátodo se realizan con molibdeno. La conexión de puerta se fija a la capaintermedia (tipo P) usando aluminio. Esta técnica se usa solamente para dispositivosque requieren gran potencia.
Técnica "Todo Difusión": Se trata de la técnica más usada, sobre todo endispositivos de mediana o baja intensidad, el problema principal de esta técnicareside en los contactos, cuya construcción resulta más delicada y problemática queen el caso de difusión-aleación. Las 2 capas P se obtienen por difusión del galio oel aluminio, mientras que las capas N se obtienen mediante el sistema de máscarasde óxido. El problema principal de este método radica en la multitud de fases quehay que realizar. Aunque ciertas técnicas permiten paralelizar este proceso.
Técnica de Barrera Aislante: Esta técnica es una variante de la anterior. Se partede un sustrato de silicio tipo N que se oxida por las dos caras, después en cada unade las 2 caras se hace la difusión con material tipo P. Una difusión muy duradera y
a altas temperaturas produce la unión de las 2 zonas P. Después de este procesose elimina todo el óxido de una de las caras y se abre una ventana en la otra, serealiza entonces en orden a aislar más zonas de tipo N, una difusión tipo P. Despuésde una última difusión N el tiristor ya está terminado a falta de establecer lasmetalizaciones, cortar los dados y encapsularlos
SCR
El rectificador controlado de silicio (en inglés SCR: Silicon Controlled Rectifier) es
un tipo de tiristor formado por cuatro capas de material semiconductor conestructura PNPN o bien NPNP. El nombre proviene de la unión de Tiratrón (tyratron)y Transistor.
Un SCR posee tres conexiones: ánodo, cátodo y gate (puerta). La puerta es laencargada de controlar el paso de corriente entre el ánodo y el cátodo. Funcionabásicamente como un diodo rectificador controlado, permitiendo circular la corrienteen un solo sentido. Mientras no se aplique ninguna tensión en la puerta del SCR no
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se inicia la conducción y en el instante en que se aplique dicha tensión, el tiristorcomienza a conducir. Trabajando en corriente alterna el SCR se desexcita en cadaalternancia o semiciclo. Trabajando en corriente continua, se necesita un circuito debloqueo forzado, o bien interrumpir el circuito.
El pulso de conmutación ha de ser de una duración considerable, o bien, repetitivosi se está trabajando en corriente alterna. En este último caso, según se atrase oadelante el pulso de disparo, se controla el punto (o la fase) en el que la corrientepasa a la carga. Una vez arrancado, podemos anular la tensión de puerta y el tiristorcontinuará conduciendo hasta que la corriente de carga disminuya por debajo de lacorriente de mantenimiento (en la práctica, cuando la onda senoidal cruza por cero)
Cuando se produce una variación brusca de tensión entre ánodo y cátodo de untiristor, éste puede dispararse y entrar en conducción aún sin corriente de puerta.Por ello se da como característica la tasa máxima de subida de tensión que permitemantener bloqueado el SCR. Este efecto se produce debido al condensador
parásito existente entre la puerta y el ánodo.Los SCR se utilizan en aplicaciones de electrónica de potencia, en el campo delcontrol, especialmente control de motores, debido a que puede ser usado comointerruptor de tipo electrónico. (Ver Fig. 17)
GTO
Un Tiristor GTO o simplemente GTO (del inglés Gate Turn-Off Thyristor) es undispositivo de electrónica de potencia que puede ser encendido por un solo pulsode corriente positiva en la terminal puerta o gate (G), al igual que el tiristor normal;pero en cambio puede ser apagado al aplicar un pulso de corriente negativa en elmismo terminal. Ambos estados, tanto el estado de encendido como el estado deapagado, son controlados por la corriente en la puerta (G).
El proceso de encendido es similar al del tiristor. Las características de apagadoson un poco diferentes. Cuando un voltaje negativo es aplicado a través de lasterminales puerta (G) y cátodo (C o K), la corriente en la puerta (ig), crece. Cuandola corriente en la puerta (G) alcanza su máximo valor, IGR, la corriente de ánodocomienza a caer y el voltaje a través del dispositivo (VAK), comienza a crecer. El
Fig. 17 SCR
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tiempo de caída de la corriente de ánodo (IA) es abrupta, típicamente menor a 1 us.Después de esto, la corriente de ánodo varía lentamente y ésta porción de lacorriente de ánodo es conocido como corriente de cola.
La razón (IA/IGR) de la corriente de ánodo IA a la máxima corriente negativa en la
puerta (IGR) requerida para el voltaje es baja, comúnmente entre 3 y 5. Por ejemplo,para un voltaje de 2500 V y una corriente de 1000 A, un GTO normalmente requiereuna corriente negativa de pico en la puerta de 250 A para el apagado. (Ver Fig. 18)
DIAC
El DIAC (Diodo para Corriente Alterna) es un dispositivo semiconductor de dosconexiones. Es un diodo bidireccional disparable que conduce la corriente sólo trashaberse superado su tensión de disparo, y mientras la corriente circulante no seainferior al valor característico para ese dispositivo. El comportamiento esfundamentalmente el mismo para ambas direcciones de la corriente. La mayoría delos DIAC tienen una tensión de disparo de alrededor de 30 V. En este sentido, sucomportamiento es similar a una lámpara de neón.
Los DIAC son una clase de tiristor, y se usan normalmente para disparar los TRIAC,otra clase de tiristor. (Ver Fig. 19 y 20)
Es un dispositivo semiconductor de dos terminales, llamados ánodo y cátodo. Actúacomo un interruptor bidireccional el cual se activa cuando el voltaje entre susterminales alcanza el voltaje de ruptura, dicho voltaje puede estar entre 20 y 36 voltssegún la referencia.
Fig. 18 GTO de varios tamaños
Fig. 19 Símbolo del DIAC
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Existen dos tipos de DIAC:
DIAC de tres capas: Es similar a un transistor bipolar sin conexión de base y
con las regiones de colector y emisor iguales y muy dopadas. El dispositivopermanece bloqueado hasta que se alcanza la tensión de avalancha en launión del colector. Esto inyecta corriente en la base que vuelve el transistorconductor, produciéndose un efecto regenerativo. Al ser un dispositivosimétrico, funciona igual en ambas polaridades, intercambiando el emisor ycolector sus funciones. (Ver Fig. 21)
DIAC de cuatro capas. Consiste en dos diodos Shockley conectados en antiparalelo, lo que le da la característica bidireccional
TRIAC
Un TRIAC o Triodo para Corriente Alterna es un dispositivo semiconductor, de lafamilia de los tiristores. La diferencia con un tiristor convencional es que éste esunidireccional y el TRIAC es bidireccional. De forma coloquial podría decirse que elTRIAC es un interruptor capaz de conmutar la corriente alterna.
Su estructura interna se asemeja en cierto modo a la disposición que formarían dosSCR en direcciones opuestas.
Posee tres electrodos: A1, A2 (en este caso pierden la denominación de ánodo ycátodo) y puerta. El disparo del TRIAC se realiza aplicando una corriente alelectrodo puerta. (Ver Fig. 22)
Fig. 21 DIAC de tres capas
Fig. 20 DIAC
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Aplicaciones más comunes
Su versatilidad lo hace ideal para el control de corrientes alternas. Una de ellas es su utilización como interruptor estático ofreciendo muchas
ventajas sobre los interruptores mecánicos convencionales y los relés. Funciona como interruptor electrónico y también a pila. Se utilizan TRIACs de baja potencia en muchas aplicaciones como
atenuadores de luz, controles de velocidad para motores eléctricos, y en los
sistemas de control computarizado de muchos elementos caseros. Noobstante, cuando se utiliza con cargas inductivas como motores eléctricos,se deben tomar las precauciones necesarias para asegurarse que el TRIACse apaga correctamente al final de cada semiciclo de la onda de Corrientealterna. (Ver Fig. 23)
Control de fase (potencia)
En la figura "control de fase" se presenta una aplicación fundamental del triac.En esta condición, se encuentra controlando la potencia de ac a la cargamediante la conmutación de encendido y apagado durante las regiones positivay negativa de la señal senoidal de entrada.
Fig. 22 Símbolo de un TRIAC
Fig. 23 Estructura interna de unTRIAC
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La acción de este circuito durante la parte positiva de la señal de entrada, es muysimilar a la encontrada para el diodo Shockley. La ventaja de esta configuración esque durante la parte negativa de la señal de entrada, se obtendrá el mismo tipo derespuesta dado que tanto el diac como el triac pueden dispararse en la direccióninversa. La forma de onda resultante para la corriente a través de la carga se
proporciona en la figura "control de fase". Al variar la resistencia R, es posiblecontrolar el ángulo de conducción. Existen unidades disponibles actualmente quepueden manejar cargas de más de 10kW. (Ver Fig. 24)
Conclusión
La importancia de los dispositivos y los materiales semiconductores en la actualidades de suma importancia ya que juegan un papel indispensable en los objetos de lavida cotidiana muchos de ellos imprescindibles para nosotros
El conocimiento de estos materiales y sus dispositivos es de relevancia ya queentender su comportamiento puede llevar a un desarrollo mayor en esta rama parapoder contribuir al mundo empresarial, industrial, científico y social
Fig. 24 TRIAC
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Glosario
Ánodo: terminal positiva de un dispositivo electrónico
Banda de conducción: lugar donde los electrones de un átomo conducenelectricidad
Banda de valencia lugar donde los electrones pueden intercambiarse
Cátodo: terminal negativa de un dispositivo electrónico
Epitaxia sobre capa de material cristalino
Espectro electromagnético distribución energética por medio de ondas
Inducción: movimiento de electrones por medio de bobinas
Polarización alineamiento de los electrones a ambos extremos de un dispositivo
Tensión de umbral mínima tensión que aplicar a un diodo
Bibliografía
https://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor
https://es.wikipedia.org/wiki/Transistor
https://es.wikipedia.org/wiki/Diodo
http://www.ecured.cu/index.php/Semiconductores
http://www.sabelotodo.org/electrotecnia/dispossemicond.HTML
https://es.wikipedia.org/wiki/Tiristor
http://www.uclm.es/profesorado/maarranz/Documentos/alumnosmateriales0506/APLICACIONES%20DE%20LOS%20MATERIALES%20SEMICONDUCTORES.doc
