Capacitacin - Electrnica1. IntroduccinPara comprende cmo funcionan los diodos, los transistores, los tiristores y los circuitos integrados es necesario estudiar los materiales semiconductores: componentes que no se comportan ni como conductores ni como aislantes. Los semiconductores poseen algunos electrones libres, pero se les confiere un carcter especial es la presencia de huecos2. Materiales conductores.Son materiales que oponen poca resistencia al paso de la corriente elctrica. Los mejores conductores elctricos son metales, como elcobre, el oro, elhierroy elaluminio, y sus aleaciones, aunque existen otros materiales no metlicos que tambin poseen la propiedad de conducir la electricidad, como elgrafitoo lasdisolucionesysoluciones salinas(por ejemplo, el agua de mar) o cualquier material enestado de plasma.3. Materiales aislantes.Es un material que no permite el paso de corriente a su travs; existen aislantes naturales, como la madera o todos los materiales ptreos, y aislantesartificialescomo los materiales plsticos.4. La parte interna de los materiales.Lo que nos interesa en el estudio de la electrnica es el orbital exterior de un tomo, el cual tambin se lo denomina orbital de valencia. Es este orbital que determina las propiedades elctricas del tomo. Para subrayar la importancia de dicho orbital de valencia, se define la parte interna de un tomo como el ncleo ms todos los orbitales internos. Para el caso del cobre, la parte interna es el ncleo y los tres primeros orbitales.

tomo de cobreLa parte interna de un tomo de cobre tiene una carga resultante de + 1 porque tiene 29 protones y 28 electrones internos. En la figura 1 permite visualizar la parte interna y el orbital de valencia de un tomo. El electrn de valencia se encuentra en un orbital exterior de la parte interna y tiene una carga resultante de +1. A causa de ello, la atraccin que sufre el electrn de valencia es muy pequea.Como el electrn de valencia es atrado muy dbilmente por la parte interna del tomo, una fuerza externa puede arrancar fcilmente este electrn, al que se conoce como electrn libre, y, por eso, el cobre es un buen conductor. Incluso la tensin ms pequea puede hacer que los electrones se muevan de un tomo al siguiente.5. Semiconductores.Un semiconductor es un elemento con propiedades elctricas entre las de un conductor y las de un aislante, los mejores semiconductores tienen cuatro electrones de valencia.En general, los materiales semiconductores caen dentro de una de dos clases: de un solo cristal y compuesto. Los semiconductores de un solo cristal como el germanio (Ge) y el silicio (Si) tienen una estructura cristalina repetitiva, en tanto que compuestos como el arseniuro de galio (GaAs), el sulfuro de cadmio (CdS), el nitruro de galio (GaN) y el fosfuro de galio y arsnico (GaAsP) se componen de dos o ms materiales semiconductores de diferentes estructuras atmicas.Los tres semiconductores ms frecuentemente utilizados en la construccin de dispositivos electrnicos son Ge, Si y GaAs.En los primeros tiempos de la electrnica, el semiconductor ms utilizada era el germanio, pero tena la gran desventaja que era poco confiables, sobre todo por su sensibilidad a los cambios de temperatura. Aos ms tarde se superaron los inconvenientes de la produccin de silicio con alto grado de pureza y en 1954 se presento el primer transistor a base de silicio; y este de inmediato se convirti en el material semiconductor preferido.Sin embargo, conforme pasaba el tiempo, la electrnica se volvi cada vez ms sensible a las cuestiones de velocidad. Las computadoras operaban a velocidades cada vez ms altas y los sistemas de comunicacin lo hacan a niveles cada vez ms altos de desempeo. Se tena que encontrar un material semiconductor capaz de satisfacer estas necesidades. El resultado fue el desarrollo del primer transistor de GaAs a principios de la dcada de 1970. Este nuevo transistor operaba a velocidades hasta de cinco veces la del silicio. El problema, no obstante, fue que por los aos de intensos esfuerzos de diseo y mejoras en el proceso de fabricacin con silicio, las redes de transistores de silicio para la mayora de las aplicaciones eran ms baratas de fabricar y ofrecan la ventaja de estrategias de diseo altamente eficientes.5.1. El silicioCuando los tomos de silicio se combinan para formar un slido, lo hacen en una estructura ordenada llamada cristal. Cada tomo del silicio comparte sus electrones de valencia con los tomos de silicio vecinos, de tal manera que tiene 8 electrones en el orbital de valencia.Cada tomo vecino comparte un electrn con el tomo central. De esta forma, el tomo central parece tener 4 electrones adicionales, sumando un total de 8 electrones en su orbital de valencia, o sea, cada tomo dentro de un cristal de silicio tiene cuatro vecinos.

Enlace covalente del tomo de silicio5.2. Materiales extrnsecos: Materiales tipo n y materiales tipo p.Las caractersticas de un material semiconductor se pueden modificar de manera significativa con la adicin de tomos de impureza especficos al material semiconductor relativamente puro. Estas impurezas, aunque slo se agregan en 1 parte en 10 millones, pueden alterar las propiedades elctricas del material.Un material semiconductor que ha sido sometido al proceso de dopado se conoce como material extrnseco.Hay dos materiales extrnsecos de inmensurable importancia en la fabricacin de dispositivos semiconductores: materiales tipo n y tipo p:5.3. Material tipo n:Tanto los materiales tipo n como los tipo p se forman agregando un nmero predeterminado de tomos de impureza a una base de silicio. Un material tipo n se crea introduciendo elementos de impureza que contienen cinco electrones de valencia (pentavalentes), como el antimonio, el arsnico y el fsforo.

Impureza de antimonio en un material tipo n.5.4. Material tipo p:El material tipo p se forma dopando un cristal de germanio o silicio puro con tomos de impureza que tienen tres electrones de valencia. Los elementos ms utilizados para este propsito son boro, galio e indio. El nmero de electrones es insuficiente para completar las bandas covalentes de la estructura recin formada. El vaco resultante se llama hueco y se denota con un pequeo crculo o un signo ms, para indicar la ausencia de una carga positiva. Por lo tanto, el vaco resultante aceptar con facilidad un electrn libre

Impureza de boro en un material tipo p.6. Diodo semiconductorEl diodo semiconductor se crea con la unin de un material con un portador mayoritario de electrones (tipo n) a uno con un portador mayoritario de huecos (tipo p).

El diodo es un dispositivo no lineal, exhibe un comportamiento que depende de la direccin del voltaje aplicado.6.1. Polarizacin directa:La condicin de polarizacin en directa o encendido se establece aplicando el potencial positivo al material tipo p y el potencial negativo al tipo n.6.2. Polarizacin indirecta:La condicin de polarizacin en indirecta o apagado se establece aplicando el potencial positivo al material tipo n y el potencial negativo al tipo p.6.3. Curva del diodo:En la zona de polarizacin directa el diodo se comporta como un conductor una vez que haya superado la barrera de potencia, denominada tensin umbral. En el silicio la tensin umbral tpico es de 0.7 voltios. Para tensiones mayores a la tensin umbral, la corriente del diodo crece rpidamente, lo que quiere decir que aumentos pequeos en la tensin del diodo originaran grandes incrementos en su corriente.Si se aplica un potencial externo de V volts a travs de la unin p-n con la terminal positiva conectada al material tipo n y la negativa conectada al material tipo p, el nmero de iones positivos en la regin de empobrecimiento del material tipo n se incrementar por la gran cantidad de electrones libres atrados por el potencial positivo del voltaje aplicado. Por las mismas razones, el nmero de iones negativos se incrementar en el material tipo p. El efecto neto, por consiguiente, es una mayor apertura de la regin de empobrecimiento, la cual crea una barrera demasiado grande para que los portadores mayoritarios la puedan superar, por lo que el flujo de portadores mayoritarios se reduce efectivamente a cero.

Curva del diodo.Para un anlisis simplificado, el diodo cuando esta polarizado en directa se comportan como un conductor, y cuando esta polarizado en inversa se comporta como un abierto.6.4. Circuitos con diodos.Ejercicios bsicos.6.4.1. Analizar el comportamiento del circuito en los puntos D1, D2, D3, D5, D6. Graficar.

6.4.2. Recta de carga.Es una herramienta empleada para hallar el valor exacto de la corriente y tensin del diodo. Ejemplo: Determinar la corriente y tensin exactas del diodo de la figura de abajo. Se consideran al diodo en su estado de conduccin (VD = 0V) y en estado abierto (ID=0).

Se consideran al diodo en su estado de conduccin (VD = 0V) y en estado abierto (ID=0). Con estos datos se trazan la recta de carga. La interseccin entre esta recta y la curva de diodo corresponde al punto Q.

6.4.3. Para la configuracin del diodo en serie la figura a, que emplea las caractersticas de la figura b, determinar:a- VD y ID.b- VR.

6.5. Configuraciones de diodos en serie.La resistencia de diodo en directa es tan pequea comparada con lo dems elementos del circuito que puede ser emitida. Para la regin de conduccin la diferencia entre el diodo de silicio y el diodo ideal es el desplazamiento vertical de las caractersticas, el cual se toma en cuenta en el modelo equivalente con la inclusin de una fuente de cd de 0.7 V que se opone a la direccin de la corriente en directa que circula a travs del dispositivo. Con voltajes menores que 0.7 V para un diodo de silicio y de 0 V para un diodo ideal, la resistencia es tan alta comparada con otros elementos de la red que su equivalente es el circuito abiertoEn general, un diodo est encendido si la corriente establecida por las fuentes aplicadas es tal que su direccin concuerda con la de la flecha del smbolo del diodo y VD = 0.7 V para silicio; VD = 0.3 V para germanio, y VD = 1.2 V para arseniuro de galio.Si el diodo est instalado en forma inversa, se lo considera como una resistencia infinita o circuito abierto.

Ejemplo.6.5.1. Para la configuracin de diodo en serie de la figura, determinar Vd, VR, IR

6.6. Rectificador de media onda

6.7. Rectificador de onda completa.

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6.8. Ejercicios:1- Qu clase de dispositivo es un diodo?a. Bilateral.b. Lineal.c. No lineal.d. Unipolar.2- Cmo esta polarizado un diodo que conduce?a. Directamente.b. Al revs.c. Insuficientemente.d. Inversamente.3- Cuando la corriente por el diodo es grande, la polarizacin es:a. Directa.b. Al revs.c. Escasa.d. Inversamente.4- Un diodo esta en serie con una resistencia de 220 ohm. Si la tensin de la resistencia es de 4 V, Cul es la corriente del diodo?5- Un diodo tiene una tensin de 0,70 V y una corriente de 50 mA. Cul es la potencia en el diodo?

7. El transistor.El transistor es un dispositivo semiconductor de tres capas que consta de dos capas de material tipo n y una de material tipo p o de dos capas de material tipo p y una de material tipo n. El primero se llama transistor npn y el segundo transistor pnp.

La capa del emisor est muy dopada, la base ligeramente, y el colector slo un poco dopado. Los grosores de las capas externas son mucho mayores que las del material tipo p o n emparedado.

7.1. El transistor polarizado.Un transistor sin polarizacin es similar a dos diodos contrapuestos. Cada diodo tiene una barrera de potencial de 0,7 V aproximadamente. Si se conectan fuentes de tensin externas para polarizar al transistor, se obtienen corrientes a travs de las diferentes partes del transistor.7.1.1. Electrones del emisorEl emisor est fuertemente dopado; su funcin consiste en emitir o inyectar electrones libres a la base. La base ligeramente dopada tambin tiene un propsito bien definido: dejar pasa hacia el colector la mayor parte de los electrones inyectados por el emisor. El colector se llama as porque colecta o recoge la mayora de los electrones provenientes de la base. Esta es la forma ms habitual de polarizar un transistor.7.1.2. Electrones de la base.Cuando se aplica una tensin al diodo emisor mayor que la barrera de potencial emisor base circulara una elevada corriente de electrones desde el emisor hacia la base. Los electrones pueden circular saliendo de la base o hacia el colector. Pero la mayora de los electrones seguir el camino hacia el colector por causa del el dbil dopaje de la base y por su estreches permite a los electrones llegar con facilidad al colector. Casi todos los electrones inyectados por el emisor pasan a travs de la base del colector.7.1.3. Electrones del colector.Casi todos los electrones van hacia el colector, estando ya ah son atrados por la fuente de tensin Vcc. Como consecuencia de ello, los electrones libres circulan a travs del colector y a travs de Rc, hasta que alcanzan el terminal positivo de la fuente de tensin del colector7.2. Corrientes en un transistor.Hay tres distintas corrientes en el transistor: la corriente de emisor Ie, la corriente de la base Ib, y la corriente del colector Ic. La mayor corriente de todas es la de emisor. Casi todos los electrones del emisor circulan hacia el colector; por tanto, la corriente del colector es aproximadamente igual a la corriente de emisor. La corriente de la base es muy pequea comparativamente, a menudo menor que el 1 a 100 de la corriente de colector.7.2.1. Relacin de corriente.La corriente de emisor es la suma de la corriente de colector y la corriente de la base. Teniendo en cuenta que la corriente de la base es mucho menor que la corriente del colecto, es habitual hacer la siguiente aproximacin: la corriente de colector es igual a la corriente de emisor.IE = IC + IB IB