1. DCIMA EDICINElectrnica:teora de circuitosy dispositivoselectrnicosROBERT L.BOYLESTADLOUIS NASHELSKY

2. ECUACIONES SIGNIFICATIVAS1 Diodos semiconductoresW = QV, 1 eV = 1.6 * 10-19 J, ID = Is 1eVD>nVT - 12, VT = kT>q, TK = TC + 273,k = 1.38 * 10-23 J/K, VK0.7 V 1Si2, VK0.3 V1Ge2, VK1.2 V 1GaAs2, RD = VDID, rd = 26 mVID, rprom = VdId pto. a pto.,PD = VD ID, TC = 1VZVZ21T1 - T02 * 100%C2 Aplicaciones del diodo Silicio: germanio: media onda:onda completa:3 Transistores de unin bipolaraca = ICIE, ICEO = ICBO11 - a2, bcd = ICIB, bca = ICIB, a = b1b + 12, b = a11 - a2, IC = bIB, IE = 1b + 12IB,VBE = 0.7 V, ICIE, IC = bIB; IB = 1VCC - VBE2RB,VCE = VCC - ICRC,4 Polarizacin de cd de los BJT En general: polarizacin fija:ICsat = VCCRC;estabilizado por el emisor:IB = 1VCC - VBE21RB + 1b + 12RE2, Ri = 1b + 12RE, VCE = VCC - IC1RC + RE2, ICsat =VCC1RC + RE2; divisor de voltaje: exacto:RTh = R1 7R2, ETh = R2VCC1R1 + R22, IB = 1ETh - VBE21RTh + 1b + 12RE2, VCE = VCC - IC1RC + RE2, bRE10R2, VB = R2VCC1R1 + R22, VE = VB - VBE, ICIE = VERE;aproximado: realimentacin de voltaje:IB = 1VCC - VBE21RB + b1RC + RE22; base comn: IB = 1VEE - VBE2RE; transistores de conmutacin:tencendido = tr + td, tapagado = ts + tf ;S1ICO2 = ICICO; S1ICO2 = b + 1; S1ICO2 = 1b + 1211 + RBRE211 + b + RBRE2;estabilidad: polarizacin fija: polarizacin de emisor:divisor de voltaje: polarizacin por realimentacin:S1ICO2 = 1b + 1211 + RThRE211 + b + RThRE2; S1ICO2 = 1b + 1211 + RBRC211 + b + RBRC2,S1VBE2 = ICVBE; polarizacin fija: S1VBE2 = - bRB; polarizacin de emisor: S1VBE2 = - b1RB + 1b + 12RE2; divisor de voltaje:S1VBE2 =- b1RTh + 1b + 12RE2; polarizacin por realimentacin: S1VBE2 = - b1RB + 1b + 12RC2, S1b2 = ICb; polarizacin fija:S1b2 = IC1b1;S1b2 = IC1S1b2 = IC1 1b111 + b2 + RBRE22; 11 + RThRE21b111 + b2 + RThRE22; 11 + RBRE2polarizacin de emisor: divisor de voltaje:polarizacin por realimentacin:IC1S1b2 = 11 + RBRC21b111 + b2 + RBRC22, IC = S1ICO2 ICO + S1VBE2 VBE + S1b2 b5 Anlisis de ca de un BJT CE polarizacin fija: polarizacin de divisor de voltaje:Zi = R1 7 R2 7 bre,Av = -RCre; CE polarizacin de emisor: ZiRB 7 bRE, ZoRC, Av-RCRE; emisor seguidor:ZiRB 7 bRE, Zore, Av1;ZiRE 7 re, ZoRC, AvRCre; Zire11b + RCRF2, ZoRC7RF, Av = -RCre;base comn: realimentacin del colector: realimentacin decd del colector: ZiRF1 7 bre, ZoRC 7 RF2, Av = -1RF27 RC2re;efecto de la impedancia de carga:Av = RLAvNL1RL + Ro2, Ai = -AvZiRL;efecto de la impedancia de la fuente: Vi = RiVs1Ri + Rs2, Avs = RiAvNL1Ri + Rs2, Is = Vs1Rs + Ri2;efecto combinado de la carga y la impedanciade la fuente: Av = RLAvNL 1RL + Ro2,Avs = 1Ri1Ri + Rs221RL1RL + Ro22AvNL, Ai = -AvRiRL, Ais = -Avs1Rs + Ri2RL; conexincascodo: conexin de Darlington: configuracin en emisor seguidor:Av = Av1 bD = b1b2; IB = 1VCC - VBE21RB + bDRE2, Av2;ICIEbDIB, Zi = RB||b1b2RE, Ai = bDRB1RB + bDRE), Av1, Zo = re1 b2 + re2;configuracin de amplificador bsica:Zi = R1||R2||Zi, Zi = b11re1 + b2re22, Ai = bD1R1||R221R1||R2 + Zi2, Av = bDRCZi, Zo = RC||ro2;par de realimentacin:IB1 = 1VCC - VBE121RB + b1b2RC2, .Zi = RB||Zi, Zi = b1re1 + b1b2RC, Ai = -b1b2RB1RB + b1b2RC2 Av = b2RC1re + b2RC21, Zore1b26 Transistores de efecto de campoIG = 0 A, ID = IDSS11 - VGSVP2 VGS = VP 11 - 2IDIDSS2, ID = IDSS4 1si VGS = VP22, 2, ID = IS ,ID = IDSS2 1si VGS0.3 VP2, P D = VDSID,r d = ro11 - VGSVP22; MOSFET:I = k1VGS - VT22, D k = ID1encendido2 1VGS1encendido2 - VT22 7 Polarizacin de los FET Polarizacin fija: autopolarizacin:VS = IDRS; VG = R2VDD1R1 + R22, VGS = VG - IDRS, VDS = VDD - ID1RD + RS2;divisor de voltaje: configuracin en compuerta comn:VGSQ VDS = VDD - IDRD, VD = VDS, VS = 0 V. = OV: IIQ VGS = VSS - IDRS, VDS = VDD + VSS - ID1RD + RS2; = IDSS,caso especial: MOSFET tipoID = k1VGS - VGS1Th22 VDS = VGS, VGS = VDD - IDRD; 2, k = ID1encendido2 1VGS1encendido2 - VGS1Th222;enriquecimiento: polarizacin por realimentacin:divisor de voltaje: curva universal:VG = R2VDD1R1 + R22, VGS = VG - IDRS; m = VP IDSSRS, M = m * VG VP ,VG = R2VDD1R1 + R228 Amplificadores con FETgm = yfs = IDVGS, gm0 = 2IDSS VP , gm = gm011 - VGSVP2, gm = gm0 1IDIDSS, rd = 1yos =VDSIDVGS=constante; Zi = RG, ZoRD, Av = -gmRD; Zi = RG, ZoRD, Av = -gmRD;polarizacin fija: autopolarizacin (RS con puenteo): autopolarizacinZi = RG, Zo = RD, Av-gmRD11 + gmRs2; Zi = R1 7 R2, Zo RD, Av = -gmRD;(RS sin puenteo): polarizacin de divisor de voltaje: fuente seguidor:Zi = RG, Zo = RS 71gm, AvgmRS11 + gmRS2; Zi = RS 71gm, ZoRD, Av = gmRD;compuerta comn: MOSFET tipo enriquecimiento:gm = 2k1VGSQ ZiRF11 + gmRD2, ZoRD, Av-gmRD; - VGS1Th22;configuracin por realimentacin del drenaje: polarizacin por medio del divisorde voltaje: Zi = R1 7 R2, ZoRD, Av-gmRD.VGS = -VGG, VDS = VDD - IDRD; VGS = -IDRS, VDS = VDD - ID1RS + RD2,ZoRC,re = 26 mVIE; Zibre, ZoRC, Av = -RCre;PCmx = VCEICIE = IC + IB, IC = ICmayoritario IC = aIE + ICBO, + ICOminoritario , ICIE, VBE = 0.7 V, acd = ICIE,Vcd = 0.636VmVK0.7 V, VK0.3 V, GaAs: VK1.2 V; Vcd = 0.318Vm;= 3. 9 Respuesta en frecuencia de transistores BJT y FETlogea = 2.3 log10a, log101 = 0, log10ab = log10a - log10b, log101b = -log10b,GdBT = GdB1 + GdB2 + # + GdBn log10ab = log10 a + log10 b, GdB = 10 log10 P2P1, GdBm = 10 log10 P21 mW600 , GdB = 20 log10 V2V1,PoHPF = 0.5Pomed,BW = f1 - f2; baja frecuencia:fLS = 12p1Rs + Ri2Cs, fLC = 12p1Ro + RL2CC, fLE = 12pReCE, fLS fLC = 12pReqCS, fLG = 12p1Ro + RL2CC , Re = RE 71Rsb + re2, Rs = Rs 7R1 7 R2, FET: = 12p1Rsig + Ri2CG,Req = RS 71gm1rdq 2; efecto Miller: CMi =11 - Av2Cf, CMo = 11 - 1Av2Cf ; alta frecuencia (BJT):fHi = 12pRThiCi, Co = CWo + Cce + CMoRTho , fHo = RC 7 RL 7 ro, = 12pRThoCi = Cwi Co, RThi + Cbe + 11 - Av2Cbc, = Rs 7R1 7 R2 7 Ri,f12pbmed re1Cbe + Cbc2,fT = bmed f; FET:fHi = 12pRThiCi, RThi = Rsig 7 RG, Ci = CWi + Cgs + CMi, CMi = (1 - Av)Cgd b bfHo = 12pRThoCo,RTho = RD7 RL 7 rd, Co = CWo + Cds + CMo; CMO = 11 - 1Av2Cgd ; mltiples etapas:f1= f1221n - 1, f 2 = 1221n - 12f2; prueba de onda cuadrada:fHi = 0.35tr, % Inclinacin = %P = 11V - V2V2 * 100%,fLo = 1Pp2fs CMRR = AdAc; CMRR1log2 = 20 log101AdAc2; VoV1 = -RfR1;10 Amplificadores operacionales Multiplicador de ganancia constante:amplificador no inversor: seguidor unitario: amplificador sumador:integrador:VoV1 = 1 + RfR1; Vo = V1; Vo = - 31RfR12V1 + 1RfR22V2 + 1RfR32V34;A = - RfR1; A = 1 + RfR1:vo1t2 = - 11R1C121v1dt11 Aplicaciones del amplificador operacional Multiplicador de ganancia constante: no inversor: sumador de voltaje:Vo = - 31RfR12V1 + 1RfR22V2 + 1RfR32V34; filtro activo pasoaltas: foL = 12pR1C1; filtro activo pasobajas:foH = 12pR1C112 Amplificadores de potenciaEntrada de potencia:Salida de potencia:Pi = VCCICQPo = VCEIC = I 2CRC = V2= VCEIC2 = 1I 2CERC rmsC22RC = V2= VCEIC8 = 1I 2%h = 1PoPi2 * 100%;CE12RC2 picoC82RC = V2CE18RC2 pico a picoeficiencia: eficiencia mxima: Clase A, alimentado e n serie = 25%; transformador acoplado clase A = 50%;push-pull, clase B = 78.5%; relacin de transformacin: salida de potencia:Po = 31VCE mx - VCE mn V2V1 = N2N1 = I1I2, R2 = 1N2N12 2 2R1;1IC - IC 248;amplificador de potencia clase B:Pi = VCC312p2Ipico 4; L1pico 212RL2; %h = 1p423VL1pico 2VCC4 * 100%; mx mn Po = V2= 1P - Po22; Po mxima = V2Pi mxi m a = 2V2CCpRL; P2Q mxima = 2V2i CCp2RL; % de distorsin armnica PQ = P2Q2 CC2RL;(aire libre); TJ = PDuJA + TA, uJA = 40C/W 100%; = 2D22+ D23+ D24+ *total (%THD) disipador de calor:Vo = 31D0 * 20 + D1 * 21 + D2 * 22 + + Dn * 2n22n4Vref;PD = 1TJ - TA21uJC + uCS + uSA213 Circuitos integrados digitales lneales Red en configuracin de escalera:555 oscilador: f = 1.441RA + 2RB2C; 555 monoestable: Talta = 1.1RAC; VCO: fo = 12R1C1231V + - VC2V +4;mallade enganche de fase (PLL):fo = 0.3R1C1, fL = ;8foV, fC = ;112p222pfL13.6 * 1032C2Af = A11 + bA2; Zif = Zi11 + bA2;14 Realimentacin y circuitos osciladores realimentacin en serie: realimentacin en derivacin;Zif = Zi11 + bA2; Zof = Zo11 + bA2; Zof = Zo11 + bA2;realimentacin de voltaje: realimentacin de corriente; estabilidad de la ganancia:dAfAf = 111 + bA21dAA2; bA = 1; f = 12pRC16, b = 129, A 7 29;oscilador; corrimiento de fase: desplazamiento de fase de FET:A = gmRL, RL = RDrd1RD + rd2; f = 112pRC23126 + 41RCR24, hfe 7 23 + 291RCR2 + 41RRC2;desfasamiento de transistor: Puente de Wien:R3R4 = R1R2 + C2C1, fo = 12p1R1C1R2C2; sintonizado: fo = 12p 1LCec, Cec = C1C21C1 + C22,Hartley:Lec = L1 + L2 + 2M, fo = 12p 1LecC 15 Fuentes de alimentacin (reguladores de voltaje) Filtros:r = Vr1rms2Vcd * 100%, V.R. = 1VNL - VFL2VFL * 100%, Vcd = Vm - Vr1p-p22,Vr1rms2 = Vr1p-p2213, Vr1rms21Icd41321VcdVm2; onda completa, carga ligeraVr1rms2 = 2.4IcdC, Vcd = Vm - 4.17IcdC, r =12.4IcdCVcd2 * 100% = 2.4RLC * 100%, Ipico = TT1 * Icd; RC filtro:Vcd = RL Vcd1R + RL2, XC = 2.653C1media onda2, XC =1.326C 1Onda completa2, Vr1rms2 = 1XC2R2 + X2 reguladores:IR = 1INL - IFL2IFL * 100%, VL = VZ11 + R1R22, Vo =CT = C10211 + VrVT 2n, TCC = 1CCo1T1 - T022 * 100%;Vref 11 + R2R12 + IadjR2C2;16 Otros dispositivos de dos terminales Diodo varactor: fotodiodo:W = hf, l = vf, 1 lm = 1.496 * 10-10 W, 1 = 10-10 m, 1 fc = 1 lmft2 = 1.609 * 10-9 Wm2VBR1 = hVBB IE =0, = VBR2 ; 0.1 VBR217 Dispositivos pnpn y otros dispositivos Diac: UJT:h = RB11RB1 + RB2RBB = 1RB1 2IE =0 , + RB22IE =0, VRB1fototransistor: PUT: h = RB11RB1 + RB2IChfeI 2,VP = hVBB + VD lVP = hVBB + VD; ; 4. Electrnica:Teora de Circuitosy DispositivosElectrnicosDcima edicinRobert L. BoylestadLouis NashelskyTRADUCCINRodolfo Navarro SalasIngeniero MecnicoUniversidad Nacional Autnoma de MxicoREVISIN TCNICAFrancisco Rodrguez RamrezFacultad de IngenieraUniversidad Nacional Autnoma de MxicoPrentice Hall 5. Datos de catalogacin bibliogrficaBOYLESTAD, ROBERT L. y NASHELSKY, LOUISElectrnica: Teora de Circuitosy Dispositivos ElectrnicosPEARSON EDUCACIN, Mxico, 2009ISBN: 978-607-442-292-4rea: IngenieraFormato: 21 27 cm Pginas: 912Authorized translation from the English language edition, entitled Electronic devices and circuit theory,10th edition, by Robert L. Boylestad and Louis Nashelsky published by Pearson Education, Inc.,publishing as PRENTICE HALL, INC., Copyright 2009. All rights reserved.ISBN 9780135026496Traduccin autorizada de la edicin en idioma ingls, Electronic devices and circuit theory, 10. edicin porRobert L. Boylestad y Louis Nashelsky, publicada por Pearson Education, Inc., publicada como PRENTICEHALL INC., Copyright 2009. Todos los derechos reservados.Esta edicin en espaol es la nica autorizada.Edicin en espaolEditor: Luis Miguel Cruz Castilloe-mail: luis.cruz@pearsoned.comEditor de desarrollo: Bernardino Gutirrez HernndezSupervisor de produccin: Rodrigo Romero VillalobosDCIMA EDICIN VERSIN IMPRESA, 2009DCIMA EDICIN E-BOOK, 2009D.R. 2009 por Pearson Educacin de Mxico, S.A. de C.V.Atlacomulco 500-5o. pisoCol. Industrial Atoto53519, Naucalpan de Jurez, Estado de MxicoCmara 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 otransmitirse, por un sistema de recuperacin de informacin, en ninguna forma ni por ningn medio, sea elec-trnico,mecnico, fotoqumico, magntico o electroptico, por fotocopia, grabacin o cualquier otro, sin per-misoprevio por escrito del editor.El prstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesin de uso de este ejemplar requerir tambin la autorizacindel editor o de sus representantes.ISBN VERSIN IMPRESA 978-607-442-292-4ISBN E-BOOK 978-607-442-329-7Impreso en Mxico. Printed in Mexico.1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 12 11 10 09Prentice Halles una marca dewww.pearsoneducacion.net ISBN 978-607-442-292-4 6. DEDICATORIAA Else Marie, Alison y Mark, Eric y Rachel, Stacey y Jonathan,y nuestras ocho nietas, Kelcy, Morgan, Codie, Samantha, Lindsey,Britt, Skylar y Aspen.A Katrin, Kira y Thomas, Larren y Patricia, y nuestros seis nietos,Justin, Brendan, Owen, Tyler, Colin y Dillon. 7. PREFACIOLa edicin anterior de Electrnica: Teora de Circuitos y Dispositivos Electrnicos requiri va-rioscambios significativos en cuanto a pedagoga y contenido. Esta edicin fue ms selectiva enlas adecuaciones que se deban hacer. Los ttulos de los captulos no se modificaron y se agregun nmero limitado de secciones nuevas. Los cambios se efectuaron sobre todo para mejorar laforma en que se presenta el material ms importante y para mantener actualizado el contenido.Hubo varias configuraciones determinantes de BJT y FET que se deban tratar ms a fondo, re-calcandosus caractersticas terminales importantes. Este material adicional es la razn princi-palpor la que se agregaron nuevas secciones al texto. Tales adiciones produjeron ms ejemplosy una seleccin ms amplia de los problemas.En esta edicin se desarrollaron listas de objetivos para el material incluido en cada captulo;adems, al final de cada uno de ellos se incluye una lista de conclusiones, conceptos y ecua-cionesimportantes. Estos tres elementos resumen el material para una revisin y aplicacin fu-turas.Se agreg una tabla de resumen al captulo 4 de polarizacin de cd de los BJT, enconcordancia con las provistas para el anlisis de ca de los BJT y la investigacin de ca y cd delos FET.Por otra parte, se utiliza el modelo re del transistor BJT en las primeras secciones de cadacaptulo dedicadas al tema, relegando el modelo de parmetro hbrido a secciones posteriores,como si fuera una entidad aparte. De esta manera se puede analizar el material por separado sinafectar el flujo general del que utiliza el modelo re. El nivel de detalle provisto para el modelode parmetros hbridos sigue siendo casi el mismo, aunque ahora aparece ms adelante en elcaptulo.En algunas reas el contenido general en esencia no cambia, excepto por los comentarios adi-cionalesy el reacomodo del texto. Por ejemplo, el apartado de respuesta en frecuencia (captulo9) ahora contiene comentarios adicionales sobre el uso de logaritmos y la realizacin del pro-cesode normalizacin, as como la seccin Anlisis por computadora que se ha movido a otraparte del texto. El anlisis de las configuraciones del par Darlington y realimentacin se re-escribien su totalidad para que compaginara mejor con las primeras secciones del mismo cap-tulo.La cobertura de amplificadores operacionales y redes digitales se reescribi por completopara mejorar su presentacin y para actualizarlos.Como en cada nueva edicin, las hojas de componentes y datos incluidas en las descrip-cionesse actualizaron a las versiones ms recientes. Las fotografas y el material grfico sereemplazaron, y se cambiaron los datos en los ejemplos para ajustarlos a las tendencias actuales.Los tres paquetes de software utilizados en ediciones anteriores del libro aparecen de nuevo enesta edicin, pero con las versiones ms recientes. Los detalles provistos con Mathcad 14, Ca-denceOrCAD 15.7 y Multisim 10, son iguales de nueva cuenta, as que no es necesario consul-tarotras referencias para aplicarlos a las configuraciones incluidas en el texto. Los comentariosrecibidos de los usuarios actuales sugieren que la cobertura de este software fue una importanteadicin al texto hace algunos aos.Nos complace el muy alto nivel de precisin del texto despus de todas estas ediciones; en laltima hubo muy pocos errores de impresin y de contenido que corregir. Entendemos cun frus-trantespueden ser los errores en el texto o en la lista de soluciones para un estudiante que porprimera vez maneja el material. Todas las sugerencias, crticas o correcciones son bienvenidas.Prometemos responder a todas ellas.vii 8. CARACTERSTICAS SOBRESALIENTES Mtodo para abordar los sistemas. Como en la edicin anterior, nos esforzamos por mejo-rarel material que presenta el concepto de ingeniera de sistemas. Para el anlisis de ca, ladiferencia entre la ganancia con carga y sin carga se resalt con ejemplos que muestran cmoafectan la ganancia y las caractersticas de un sistema. Hay secciones enteras que se conservanpara demostrar el impacto de la fuente y la resistencia de la carga en la respuesta del sistema,aunque ahora el material es una parte integral del captulo de anlisis de ca del dispositivo quese est estudiando. Presentacin visual. Este texto representa un esfuerzo concertado para asegurar que losenunciados y conclusiones importantes resalten. Casi al final de cada captulo aparecenresmenes y listas de ecuaciones para revisin y estudio. La figura P-1 muestra un ejemplode resumen del captulo, as como una lista de ecuaciones.viii PREFACIOFIG. P-1ANLISIS POR 523COMPUTADORA8.18 RESUMEN Conclusiones y conceptos importantes1. El parmetro de transconductancia gm est determinado por la relacin del cambio dela corriente de drenaje asociado con un cambio particular del voltaje de la compuertaa la fuente en la regin de inters. Cuanto ms pronunciada es la pendiente de la curvade ID contra VGS,mayor es el nivel de gm. Adems, entre ms cerca est el punto o regin deinters a la corriente de saturacin IDSS, mayor es el parmetro de transconductancia.2. En hojas de especificaciones, gm aparece como yfs.3. Cuando VGS es de la mitad del valor de estrangulamiento, gm es de la mitad del valormximo.4. Cuando ID es de un cuarto del nivel de saturacin de IDSS, gm es de la mitad el valor encondicin de saturacin.5. La magnitud de la impedancia de salida es similar a la de los BJT convencionales.6. En hojas de especificaciones la impedancia de salida rd se da como 1/yo.Cuanto ms hori-zontalesson las curvas de caractersticas de drenaje, mayor es la impedancia de salida.7. La ganancia de voltaje de las configuraciones de polarizacin fija y de autopolarizacin(una capacitancia de puenteo en la fuente) del JFET es la misma.8. El anlisis de ca de los JFET y los MOSFET tipo empobrecimiento es el mismo.9. La red equivalente de ca de un MOSFET tipo enriquecimiento es el misma que la que seemple para los FJET y los MOSFET tipo empobrecimiento. La nica diferencia es la ecua-cinpara gm.10. La magnitud de la ganancia de redes con FET en general vara entre 2 y 20. La confi-guracinde autopolarizacin (sin capacitancia de puenteo en la fuente) y la de fuente-seguidorson configuraciones de baja ganancia.11. No hay desfasamiento entre la entrada y la salida de las configuraciones en fuente-segui-dory en compuerta comn. Las otras tienen un desfasamiento de 180.12. La impedancia de salida de la mayora de las configuraciones del FET est determinadaprincipalmente por RD. Para la configuracin en fuente-seguidor est determinada por RSy gm.13. La impedancia de entrada para la mayora de las configuraciones con FET es bastantealta. Sin embargo, es muy baja para la configuracin en compuerta comn.14. Cuando busque fallas en cualquier sistema electrnico o mecnico siempre busque pri-merolas causas ms obvias.Ecuaciones:gm = yfs =gm0 =2IDSSVP IDVGSgm = gm0 c1 -gm = gm0 Ard =1yos=IDIDSSVGSVP dVDSID `VGS =constantePara las configuraciones de los JFET y los MOSFET tipo empobrecimiento vea las tablas 8.1 y 8.2.8.19 ANLISIS POR COMPUTADORA PSpice para WindowsConfiguracin de polarizacin fija del JFET. La primera configuracin del JFET que analiza-remosen el dominio de ca ser la de polarizacin fija de la figura 8.62, utilizando un JFET conVp4 V e IDSS10 mA. Se agreg el resistor de 10 M para que acte como una ruta a Aplicaciones prcticas. Siempre es de inters para un estudiante nuevo, en cualquier campo,ver la aplicacin del material que se est estudiando. En este texto hay ms de 100 aplica-cionesprcticas las cuales aparecen al final de la mayora de los captulos, como se ve en lafigura P-2. Todas las aplicaciones en esta edicin son actuales y compatibles con los cambiosque ocurren en la comunidad industrial. En todo caso, las descripciones se redactaron deacuerdo con los conocimientos del estudiante, de modo que pueda entender la mayor partedel anlisis de cada aplicacin. Anlisis por computadora. Los autores estn complacidos de que la cobertura de este textovaya ms all de los comentarios someros que aparecen en algunas publicaciones. Se em-pleanlas versiones ms actuales de PSpice, Multisim y Mathcad en secciones especficas alo largo del libro, en las cuales se describen las diferencias importantes en la aplicacin decada paquete de software. El contenido se presenta tanto en PSpice como en Multisim paraasegurar que el estudiante se familiarice con el paquete de software que pudiera encontrar enestudios futuros o en el entorno laboral. 9. ix15.7 APLICACIONES PRCTICAS 793 Fuentes de alimentacinLas fuentes de alimentacin son una parte de todo dispositivo electrnico, as que se utilizan va-rioscircuitos para acomodar factores como valor nominal de potencia, tamao del circuito, costo,regulacin deseada, etc. En esta seccin describiremos varias fuentes y cargadores prcticos.Fuente de cd simple Una forma simple de reducir el voltaje de ca, sin un transformador volu-minosoy caro, es utilizar un capacitor en serie con el voltaje de lnea. Este tipo de fuente, mos-tradaen la figura 15.32, utiliza pocos componentes y por lo tanto es muy simple. Se utiliza unrectificador de media onda (o rectificador de puente) con un circuito de filtrado para obtenerun voltaje con componente de cd. Este circuito tiene varias desventajas. No asla la lnea deca, siempre debe haber una mnima absorcin de corriente y la corriente de carga no puede serexcesiva. Por lo tanto, se puede utilizar la fuente de cd simple para proporcionar un voltaje decd escasamente regulado cuando se desea una leve absorcin de corriente en un dispositivo nocostoso.Ms de 100 diagramas de circuitos se ilustraron en Multisim 10 y estn disponibles en elsitio web del libro en www.pearsoneducacion.net/boylestad.COMPLEMENTOSPara mejorar el proceso de aprendizaje, varios complementos acompaan a este texto, y estndisponibles en ingls para profesores que utilicen este libro en un curso.Instructor Resources Manual de recursos para el profesor Notas de presentacin en PowerPoint TestGen, un banco de pruebas electrnicoPara acceder a estos materiales complementarios en lnea (totalmente en ingls), los profesoresdeben solicitar un cdigo de acceso especial. Entre a www.pearsoneducacion.net/boylestad,y regstrese para obtener un cdigo de acceso de profesor. Una vez que haya recibido sucdigo, dirjase al sitio Web e inicie una sesin para ver las instrucciones completas sobrecmo descargar los materiales que desee utilizar. Si tiene algn problema, contacte a su dis-tribuidorde Pearson Educacin.PREFACIOFIG. P-2APLICACIONESPRCTICASFIG. 15.32Fuente de cd simple.Fuente de cd con entrada de transformador El siguiente tipo de fuente de alimentacin utili-zaun transformador para reducir el voltaje de lnea de ca. El transformador puede estar monta-doen la pared (externo) o en el chasis (interno). Se utiliza un rectificador despus deltransformador, seguido por un filtro de capacitor y quizs un regulador. ste se convierte en unproblema a medida que los requerimientos de potencia aumentan. El tamao del disipador decalor y los requerimientos de enfriamiento y potencia llegan a ser un obstculo importante paraestos tipos de fuentes.La figura 15.33 muestra una fuente rectificada de media onda simple con un transformadorreductor de aislamiento. Este circuito relativamente simple no sirve como regulador.FIG. 15.33Fuente de cd con entrada de transformador.La figura 15.34 muestra probablemente la mejor fuente de alimentacin estndar con aisla-mientode transformador y reduccin de voltaje; un rectificador de puente; un filtro doble conbobina de reduccin; y un circuito regulador compuesto de una referencia Zener, un transistorde regulacin en paralelo y un amplificador operacional con realimentacin para auxiliar la re-gulacin.Obviamente, este circuito es un excelente regulador de voltaje.Fuente troceadora Las fuentes de alimentacin actuales convierten ca en cd por medio de uncircuito troceador como el de la figura 15.35. La entrada de ca se conecta al circuito por medio devarios acondicionadores de lnea y filtros. Esto elimina cualquier ruido elctrico. La entrada se rec-tificaentonces y se filtra un poco. El alto voltaje de cd se troza a un ritmo de aproximadamente 10. RECONOCIMIENTOSNuestro ms sincero aprecio para los profesores que han utilizado el texto y enviado comen-tarios,correcciones y sugerencias. Tambin agradecemos a Rex Davidson, Wyatt Morris yChristopher Reed en Prentice Hall, por su apoyo editorial para la dcima edicin de este li-bro.Damos gracias a Jodi Dowling de Aptara, Inc. por coordinar la produccin, y a KarenSlaght por capturar y corregir el manuscrito.Por ltimo, pero igual de importante, deseamos agradecer a las incontables personas que hancompartido sus sugerencias y enviado evaluaciones de este texto desde las primeras ediciones.Sus comentarios y apoyo nos han permitido presentar esta nueva edicin.x PREFACIO 11. CONTENIDOxiPrefacio vCAPTULO 1: Diodos semiconductores 11.1 Introduccin 11.2 Materiales semiconductores: Ge, Si y GaAs 21.3 Enlace covalente y materiales intrnsecos 31.4 Niveles de energa 51.5 Materiales extrnsecos: materiales tipo n y tipo p 71.6 Diodo semiconductor 101.7 Lo ideal vs. lo prctico 201.8 Niveles de resistencia 211.9 Circuitos equivalentes del diodo 271.10 Capacitancias de difusin y transicin 301.11 Tiempo de recuperacin en inversa 311.12 Hojas de especificaciones de diodos 321.13 Notacin para diodos semiconductores 351.14 Prueba de un diodo 361.15 Diodos Zener 381.16 Diodos emisores de luz 411.17 Resumen 481.18 Anlisis por computadora 49CAPTULO 2: Aplicaciones del diodo 592.1 Introduccin 592.2 Anlisis por medio de la recta de carga 602.3 Configuraciones de diodos en serie 652.4 Configuraciones en paralelo y en serie-paralelo 712.5 Compuertas AND/OR 742.6 Entradas senoidales; rectificacin de media onda 762.7 Rectificacin de onda completa 792.8 Recortadores 822.9 Sujetadores 892.10 Diodos Zener 92 12. 2.11 Circuitos multiplicadores de voltaje 1002.12 Aplicaciones prcticas 1032.13 Resumen 1132.14 Anlisis por computadora 114CAPTULO 3: Transistores de unin bipolar 1313.1 Introduccin 1313.2 Construccin de un transistor 1323.3 Operacin del transistor 1323.4 Configuracin en base comn 1343.5 Accin amplificadora del transistor 1383.6 Configuracin en emisor comn 1393.7 Configuracin en colector comn 1453.8 Lmites de operacin 1463.9 Hojas de especificaciones del transitor 1473.10 Prueba de un transistor 1513.11 Encapsulado e identificacinde las terminales de un transistor 1533.12 Resumen 1543.13 Anlisis por computadora 156CAPTULO 4: Polarizacin de cd de los BJT 1614.1 Introduccin 1614.2 Punto de operacin 1624.3 Configuracin de polarizacin fija 1644.4 Configuracin de polarizacin de emisor 1714.5 Configuracin de polarizacin por mediodel divisor de voltaje 1764.6 Configuracin de realimentacin del colector 1834.7 Configuracin en emisor-seguidor 1884.8 Configuracin en base comn 1894.9 Diversas configuraciones de polarizacin 1904.10 Tabla de resumen 1944.11 Operaciones de diseo 1944.12 Circuitos de espejo de corriente 2004.13 Circuitos de fuente de corriente 2024.14 Transistores pnp 2044.15 Redes de conmutacin con transistores 2064.16 Tcnicas de solucin de fallas 2104.17 Estabilizacin de la polarizacin 2124.18 Aplicaciones prcticas 2204.19 Resumen 2284.20 Anlisis por computadora 230xii CONTENIDO 13. CAPTULO 5: Anlisis de ca de un BJT 246 xiii5.1 Introduccin 2475.2 Amplificacin en el dominio de ca 2475.3 Modelo de un transistor BJT 2485.4 Modelo re del transistor 2515.5 Configuracin de polarizacin fija en emisor comn 2545.6 Polarizacin por medio del divisor de voltaje 2575.7 Configuracin de polarizacin en emisor comn 2605.8 Configuracin en emisor seguidor 2675.9 Configuracin en base comn 2715.10 Configuracin de realimentacin del colector 2735.11 Configuracin de realimentacin de cd del colector 2775.12 Determinacin de la ganancia de corriente 2805.13 Efecto de RL y Rs 2815.14 Tablas de resumen 2865.15 Mtodo de los sistemas de dos puertos (bipuertos) 2865.16 Sistemas en cascada 2945.17 Conexin Darlington 2995.18 Par de realimentacin 3075.19 Modelo equivalente hbrido 3115.20 Circuito equivalente hbrido aproximado 3165.21 Modelo equivalente hbrido completo 3225.22 Modelo hbrido 3295.23 Variaciones de los parmetros del transistor 3305.24 Solucin de fallas 3325.25 Aplicaciones prcticas 3345.26 Resumen 3405.27 Anlisis por computadora 343CAPTULO 6: Transistores de efecto de campo 3686.1 Introduccin 3686.2 Construccin y caractersticas de los JFET 3706.3 Caractersticas de transferencia 3766.4 Hojas de especificaciones (JFET) 3826.5 Instrumentacin 3846.6 Relaciones importantes 3856.7 MOSFET tipo empobrecimiento 3866.8 MOSFET tipo enriquecimiento 3926.9 Manejo del MOSFET 3996.10 VMOS 4006.11 CMOS 4016.12 Los MESFET 4026.13 Tabla de resumen 4056.14 Resumen 4056.15 Anlisis por computadora 406CONTENIDO 14. CAPTULO 7: Polarizacin de los FET 4127.1 Introduccin 4127.2 Configuracin de polarizacin fija 4137.3 Configuracin de autopolarizacin 4177.4 Polarizacin por medio del divisor de voltaje 4227.5 Configuracin en compuerta comn 4267.6 Caso especial: VGSQ 0 V 4297.7 MOSFET tipo empobrecimiento 4297.8 MOSFET tipo enriquecimiento 4337.9 Tabla de resumen 4397.10 Redes combinadas 4397.11 Diseo 4427.12 Solucin de fallas 4457.13 Los FET de canal p 4457.14 Curva de polarizacin universal del JFET 4487.15 Aplicaciones prcticas 4517.16 Resumen 4627.17 Anlisis por computadora 463CAPTULO 8: Amplificadores con FET 4728.1 Introduccin 4728.2 Modelo del JFET de seal pequea 4738.3 Configuracin de polarizacin fija 4808.4 Configuracin de autopolarizacin 4838.5 Configuracin del divisor de voltaje 4898.6 Configuracin del JFET en compuerta comn 4908.7 Configuracin del JFET en fuente-seguidor (drenaje comn) 4938.8 Los MOSFET tipo empobrecimiento 4978.9 Los MOSFET tipo enriquecimiento 4988.10 Configuracin por realimentacin de drenaje del E-MOSFET 4998.11 Configuracin del divisor de voltaje del E-MOSFET 5028.12 Diseo de redes de amplificacin con FET 5038.13 Tabla de resumen 5058.14 Efecto de RL y Rsig 5088.15 Configuracin en cascada 5108.16 Solucin de fallas 5138.17 Aplicaciones prcticas 5148.18 Resumen 5238.19 Anlisis por computadora 523CAPTULO 9: Respuesta en frecuenciade los BJT y los JFET 5389.1 Introduccin 5389.2 Logaritmos 539xiv CONTENIDO 15. 9.3 Decibeles 543 xv9.4 Consideraciones generales sobre la frecuencia 5459.5 Proceso de normalizacin 5479.6 Anlisis en baja frecuencia; grfica de Bode 5499.7 Respuesta en baja frecuencia; amplificador con BJT 5559.8 Respuesta en baja frecuencia; amplificador con FET 5649.9 Capacitancia de efecto Miller 5709.10 Respuesta en alta frecuencia; amplificador con BJT 5729.11 Respuesta en alta frecuencia; amplificador con FET 5799.12 Efectos de las frecuencias asociadas a mltiples etapas 5829.13 Prueba con una onda cuadrada 5839.14 Resumen 5879.15 Anlisis por computadora 588CAPTULO 10: Amplificadores operacionales 59410.1 Introduccin 59410.2 Circuito del amplificador diferencial 59710.3 Circuitos de los amplificadoresdiferenciales BiFET, BiMOS y CMOS 60410.4 Fundamentos de amplificadores operacionales 60710.5 Circuitos prcticos de amplificadores operacionales 61010.6 Especificaciones de amplificadores operacionales;parmetros de compensacin de cd 61510.7 Especificaciones de amplificadores operacionales;parmetros de frecuencia 61810.8 Especificacin de unidades de amplificadores operacionales 62110.9 Operacin diferencial y en modo comn 62610.10Resumen 63010.11 Anlisis por computadora 631CAPTULO 11: Aplicaciones del amplificador operacional 64111.1 Multiplicador de ganancia constante 64111.2 Suma de voltajes 64511.3 Seguidor de voltaje o amplificador de acoplamiento 64811.4 Fuentes controladas 64911.5 Circuitos de instrumentacin 65111.6 Filtros activos 65511.7 Resumen 65811.8 Anlisis por computadora 659CAPTULO 12: Amplificadores de potencia 67112.1 Introduccin; definiciones y tipos de amplificador 67112.2 Amplificador clase a alimentado en serie 67312.3 Amplificador clase a acoplado por transformador 677CONTENIDO 16. 12.4 Operacin de un amplificador clase B 68312.5 Circuitos del amplificador clase B 68712.6 Distorsin de un amplificador 69312.7 Disipacin de calor de un transistor de potencia 69712.8 Amplificadores clase C y clase D 70012.9 Resumen 70212.10 Anlisis por computadora 703CAPTULO 13: Circuitos integrados analgicos-digitales 71113.1 Introduccin 71113.2 Operacin de un comparador 71213.3 Convertidores digital a analgico 71813.4 Operacin de un circuito temporizador 72113.5 Oscilador controlado por voltaje 72513.6 Malla de enganche de fase 72713.7 Circuitos de interfase 73113.8 Resumen 73413.9 Anlisis por computadora 734CAPTULO 14: Realimentacin y circuitos osciladores 74014.1 Nociones de realimentacin 74014.2 Tipos de conexiones de realimentacin 74114.3 Circuitos realimentados prcticos 74714.4 Amplificador realimentado; consideracionesde fase y frecuencia 75214.5 Operacin de un oscilador 75514.6 Oscilador de corrimiento de fase 75614.7 Oscilador de puente de Wien 75914.8 Circuito oscilador sintonizado 76014.9 Oscilador de cristal 76314.10 Oscilador de monounin 76614.11 Resumen 76714.12 Anlisis por computadora 768CAPTULO 15: Fuentes de alimentacin(reguladores de voltaje) 77315.1 Introduccin 77315.2 Consideraciones generales sobre filtros 77415.3 Filtro de capacitor 77615.4 Filtro RC 77915.5 Regulacin de voltaje con transistores discretos 78115.6 Reguladores de voltaje de circuito integrado 78815.7 Aplicaciones prcticas 79315.8 Resumen 79615.9 Anlisis por computadora 796xvi CONTENIDO 17. CAPTULO 16: Otros dispositivos de dos terminales 801 xvii16.1 Introduccin 80116.2 Diodos de barrera Schottky (portadores calientes) 80116.3 Diodos varactores (Varicap) 80616.4 Diodos de potencia 80916.5 Diodos tnel 80916.6 Fotodiodos 81416.7 Celdas fotoconductoras 81716.8 Emisores infrarrojos 81816.9 Pantallas de cristal lquido 81916.10 Celdas solares 82216.11 Termistores 82516.12 Resumen 827CAPTULO 17: Dispositivos pnpn y de otros tipos 83117.1 Introduccin 83117.2 Rectificador controlado de silicio 83217.3 Operacin bsica de un rectificador controlado de silicio 83217.4 Caractersticas y valores nominales del SCR 83317.5 Construccin e identificacin de las terminales del SCR 83517.6 Aplicaciones del SCR 83517.7 Interruptor controlado de silicio 83917.8 Interruptor de apagado por compuerta 84117.9 SCR activado por luz 84217.10 Diodo Shockley 84517.11 Diac 84517.12 Triac 84717.13 Transistor de monounin 84817.14 Fototransistores 85617.15 Aisladores optoelectrnicos 85817.16 Transistor de monounin programable 86017.17 Resumen 865Apndice A: Parmetros hbridos: determinacin grficay ecuaciones de conversin (exactas y aproximadas) 869A.1 Determinacin grfica de los parmetros h 869A.2 Ecuaciones de conversin exactas 873A.3 Ecuaciones de conversin aproximadas 873Apndice B: Factor de rizo y clculos de voltaje 875B.1 Factor de rizo de un rectificador 875B.2 Voltaje de rizo del filtro de capacitor 876B.3 Relacin de Vcd y Vm con el rizo r 877B.4 Relacin de Vr (RMS) y Vm con el rizo r 878CONTENIDO 18. xviii CONTENIDO B.5 Relacin que conecta el ngulo de conduccin,el porcentaje de rizo, e Ipico/Icd para circuitosde rectificador con filtro de capacitor 879Apndice C: Grficas y tablas 881Apndice D: Soluciones a problemasimpares seleccionados 883ndice 891 19. 1 Diodos semiconductoresESQUEMA DEL CAPTULO1.1 Introduccin1.2 Materiales semiconductores: Ge, Si y GaAs1.3 Enlace covalente y materiales intrnsecos1.4 Niveles de energa1.5 Materiales extrnsecos: materiales tipon y tipo p1.6 Diodo semiconductor1.7 Lo ideal vs. lo prctico1.8 Niveles de resistencia1.9 Circuitos equivalentes del diodo1.10 Capacitancias de difusin y transicin1.11 Tiempo de recuperacin en inversa1.12 Hojas de especificaciones de diodos1.13 Notacin para diodos semiconductores1.14 Prueba de un diodo1.15 Diodos Zener1.16 Diodos emisores de luz1.17 Resumen1.18 Anlisis por computadora1OBJETIVOS DEL CAPTULO Conocer las caractersticas generales detres materiales semiconductores importan-tes:Si, Ge, GaAs. Entender la conduccin aplicando la teorade los electrones y huecos. Ser capaz de describir la diferencia entremateriales tipo n y p. Desarrollar una clara comprensin de laoperacin bsica y caractersticas de un dio-doen las regiones sin polarizacin, polari-zacinen directa y polarizacin en inversa. Poder calcular la resistencia en cd, ca y enca promedio de un diodo a partir de sus ca-ractersticas. Entender el impacto de un circuito equiva-lenteya sea ideal o prctico. Familiarizarse con la operacin y carac-tersticasde un diodo Zener y un diodoemisor de luz.1.1 INTRODUCCIN Una de las cosas notables de este campo, como en muchas otras reas de la tecnologa, es lo po-coque cambian los principios fundamentales con el tiempo. Los sistemas son increblementems pequeos, las velocidades de operacin actuales son en verdad extraordinarias y cada daaparecen nuevos artefactos que hacen que nos preguntemos hacia dnde nos est llevando la tec-nologa.No obstante, si nos detenemos un momento para considerar que la mayora de todos losdispositivos en uso fueron inventados hace dcadas y que las tcnicas de diseo que aparecen enlibros que datan de la dcada de 1930 se siguen utilizando, nos damos cuenta que la mayor par-tede lo que vemos es en principio una mejora continua de las tcnicas de construccin, las ca-ractersticasgenerales y las tcnicas de aplicacin, en vez del desarrollo de elementos nuevos ybsicamente diseos nuevos. El resultado es que la mayora de los dispositivos analizados en es-tetexto han estado en uso durante algn tiempo y que los textos sobre el tema escritos hace unadcada siguen siendo buenas referencias cuyo contenido no ha cambiado mucho. Los cambiosms importantes se han presentado en la comprensin de cmo funcionan estos dispositivos y 20. 2 de su amplia gama de capacidades y en los mtodos mejorados para ensear los fundamentosDIODOSSEMICONDUCTORESasociados con ellos. El beneficio de todo esto para el estudiante que por primera vez aborda eltema, es que el material incluido en este texto, esperamos, haya alcanzado un nivel en el que searelativamente fcil de asimilar y que la informacin se aplique durante muchos aos por venir.La miniaturizacin que ha ocurrido en aos recientes hace que nos preguntemos hasta dndellegarn sus lmites. Sistemas completos ahora aparecen en obleas miles de veces ms pequeasque el elemento nico de redes primitivas. Jack Kilby desarroll el primer circuito integrado (CI)mientras trabajaba en Texas Instruments en 1958 (figura 1.1). Hoy en da, el procesador cudrupleIntelCore 2 Extreme que se muestra en la figura 1.2 cuenta con 410 millones de transistores en ca-dachip de doble ncleo. Obviamente, hemos llegado a un punto donde el propsito principal delcontenedor es el de servir como un medio de manejar el dispositivo o sistema y proporcionar unmecanismo de conexin al resto de la red. La miniaturizacin adicional parece estar limitada portres factores: la calidad del material semiconductor, la tcnica de diseo de redes y los lmitesdel equipo de fabricacin y procesamiento.El primer dispositivo del que se va a tratar aqu es el ms simple de todos los dispositivoselectrnicos, aunque sus aplicaciones parecen interminables. Le dedicamos dos captulos parapresentar los materiales que se utilizan comnmente en dispositivos de estado slido y revisaralgunas leyes fundamentales de los circuitos elctricos.1.2 MATERIALES SEMICONDUCTORES: Ge, Si Y GaAS La construccin de cualquier dispositivo electrnico discreto (individual) de estado slido (es-tructurade cristal duro) o circuito integrado, se inicia con un material semiconductor de la msalta calidad.Los semiconductores son una clase especial de elementos cuya conductividad se encuentraentre la de un buen conductor y la de un aislante.En general, los materiales semiconductores caen dentro de una de dos clases: de un solo cristaly compuesto. Los semiconductores de un solo cristal como el germanio (Ge) y el silicio (Si) tienenuna estructura cristalina repetitiva, en tanto que compuestos como el arseniuro de galio (GaAs), elsulfuro de cadmio (CdS), el nitruro de galio (GaN) y el fosfuro de galio y arsnico (GaAsP) secomponen de dos o ms materiales semiconductores de diferentes estructuras atmicas.Los tres semiconductores ms frecuentemente utilizados en la construccin de dispositivoselectrnicos son Ge, Si y GaAs.En las primeras dcadas despus del descubrimiento del diodo en 1939 y el transistor en1949, se utilizaba germanio casi exclusivamente porque era en cierto modo fcil de encontrar yestaba disponible en grandes cantidades. Tambin era relativamente fcil de refinar para obtenerniveles muy altos de pureza, un aspecto importante en el proceso de fabricacin. Sin embargo,se descubri que los diodos y transistores construidos con germanio como material base eranpoco confiables, sobre todo por su sensibilidad a los cambios de la temperatura. En aquel enton-ces,los cientficos saban que otro material, el silicio, tena mejores sensibilidades a la tempe-ratura,pero el proceso de refinacin para producir silicio con niveles muy altos de pureza anse encontraba en su etapa de desarrollo. Finalmente, en 1954 se present el primer transistor desilicio y ste de inmediato se convirti en el material semiconductor preferido, pues no slo esmenos sensible a la temperatura, sino que es uno de los materiales ms abundantes en la Tierra,lo que acaba con cualquier preocupacin sobre su disponibilidad. Las compuertas se abrieronante este nuevo material y la tecnologa de diseo y fabricacin evolucion de forma continua atravs de los aos hasta el alto nivel actual de complejidad.Sin embargo, conforme pasaba el tiempo, el campo de la electrnica se volvi cada vez mssensible a las cuestiones de velocidad. Las computadoras operaban a velocidades cada vezms 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 re-sultadofue el desarrollo del primer transistor de GaAs a principios de la dcada de 1970. Estenuevo transistor operaba a velocidades hasta de cinco veces la del Si. El problema, no obstante,fue que por los aos de intensos esfuerzos de diseo y mejoras en el proceso de fabricacin conSi, las redes de transistores de Si para la mayora de las aplicaciones eran ms baratas de fa-bricary ofrecan la ventaja de estrategias de diseo altamente eficientes. El GaAs era ms dif-cilde fabricar a altos niveles de pureza, ms caro y tena poco apoyo de diseo en los primerosaos de su desarrollo. No obstante, con el tiempo la demanda de mayor velocidad dio por resul-tadoque se asignaran ms fondos a la investigacin del GaAs, al punto de que en la actualidadse utiliza de manera consistente como material base para nuevos diseos de circuitos integradosa gran escala (VLSI, por sus siglas en ingls) de alta velocidad.Jack St. Clair Kilby, inventor del cir-cuitointegrado y co-inventor de lacalculadora electrnica de mano.(Cortesa de Texas Instruments).Nacido en: Jefferson City, Missourien 1923. Maestro en ciencias por laUniversidad de Wisconsin, Directorde ingeniera y tecnologa, Grupo decomponentes, Texas Instruments.Miembro del IEEE. Posee ms de 60patentes estadounidenses.El primer circuito integrado, unoscilador de desplazamiento de fase,inventado por Jack S. Kilby en 1958.(Cortesa de Texas Instruments).FIG. 1.1Jack St. Clair Kilby. 21. ENLACE COVALENTE 3Y MATERIALESINTRNSECOSEste breve repaso de la historia de los materiales semiconductores no pretende implicar queel GaAs pronto ser el nico material apropiado en la construccin de estado slido. Se siguenfabricando dispositivos de germanio, aunque para un nmero limitado de aplicaciones. Aun cuan-does un semiconductor sensible a la temperatura, tiene caractersticas que encuentran aplicacinen un nmero limitado de reas. Dada su disponibilidad y bajos costos de fabricacin, continua-rapareciendo en catlogos de productos. Como se seal previamente, el Si tiene el beneficiode aos de desarrollo y es el material semiconductor lder para componentes electrnicos y cir-cuitosintegrados (CI). El GaAs es ms caro, pero a medida que los procesos de fabricacin me-jorany las demandas de mayores velocidades se incrementan, comenzar a desafiar al Si comoel material semiconductor dominante.1.3 ENLACE COVALENTE Y MATERIALES INTRNSECOS Para apreciar plenamente por qu Si, Ge y GaAs son los semiconductores mas utilizados por laindustria electrnica, hay que entender la estructura atmica de cada uno y cmo estn enlaza-doslos tomos entre s para formar una estructura cristalina. Todo tomo se compone de trespartculas bsicas: electrn, protn y neutrn. En la estructura entrelazada, los neutrones y losprotones forman el ncleo; los electrones aparecen en rbitas fijas alrededor de ste. El modelode Bohr de los tres materiales aparece en la figura 1.3.Electronesen rbitaTres electronesde valencia+GalioCinco electronesde valencia+Arsnico(c)Electrnde valenciaCapa de valencia(Cuatro electrones de valencia)CapasNcleo+Silicio+Germanio(a) (b)FIG. 1.3Estructura atmica del (a) silicio; (b) germanio,y (c) galio y arsnico.Como se indica en la figura 1.3, el silicio tiene 14 electrones en rbita, el germanio 32, elgalio 31 y el arsnico 33 (el mismo arsnico que es un agente qumico muy venenoso). En el ger-manioy el silicio hay cuatro electrones en la capa ms externa, los cuales se conocen como elec-tronesde valencia. El galio tiene tres electrones de valencia y el arsnico cinco. Los tomos quetienen cuatro electrones de valencia se llaman tetravalentes; los de tres se llaman trivalentes, ylos de cinco se llaman pentavalentes. El trmino valencia se utiliza para indicar que el potencial(potencial de ionizacin) requerido para remover cualquiera de estos electrones de la estruc-turaatmica es significativamente ms bajo que el requerido para cualquier otro electrn en laestructura.USA(a)(b)FIG. 1.2Procesador de ncleo cudrupleIntel Core Extreme 2: (a) aparien-ciaexterior; (b) chips internos. 22. DIODOSSEMICONDUCTORES4 Si Si Si Si Electrones compartidos Si Si Electrones de valenciaSi Si Si FIG. 1.4Enlace covalente del tomo de silicio.En un cristal de silicio o germanio puros, los cuatro electrones de valencia de un tomo for-manun arreglo de enlace con cuatro tomos adyacentes, como se muestra en la figura 1.4.Este enlace de tomos, reforzado por compartir electrones, se llama enlace covalente.Como el GaAs es un semiconductor compuesto, hay comparticin entre los dos tomos dife-rentes,como se muestra en la figura 1.5. Cada tomo est rodeado por tomos del tipo comple-mentario.Sigue habiendo comparticin de electrones similares en estructura a la de Ge y Si, peroahora el tomo de As aporta cinco electrones y el tomo de Ga tres. AsAsAsAsAsAsGaGa GaGa GaFIG. 1.5Enlace covalente del cristal del GaAs.Aunque el enlace covalente produce un enlace ms fuerte entre los electrones de valencia ysu tomo padre, an es posible que los electrones de valencia absorban suficiente energa cin-ticaproveniente de causas externas para romper el enlace covalente y asumir el estado libre.El trmino libre se aplica a cualquier electrn que se haya separado de la estructura entrelazadafija y es muy sensible a cualquier campo elctrico aplicado como el establecido por fuentes devoltaje o por cualquier diferencia de potencial. Las causas externas incluyen efectos como energaluminosa en forma de fotones y energa trmica (calor) del medio circundante. A temperatura am-bientehay alrededor de 1.51010 portadores libres en un 1 cm3 de material de silicio intrnse-co,es decir, 15,000,000,000 (quince mil millones) de electrones en un espacio ms reducido queun pequeo cubo de azcar; una enorme cantidad. 23. El trmino intrnseco se aplica a cualquier material semiconductor que haya sido cuidado- NIVELES DE ENERGA 5samente refinado para reducir el nmero de impurezas a un nivel muy bajo; en esencia, loms puro posible que se pueda fabricar utilizando tecnologa actual.Los electrones libres presentes en un material debido a slo causas externas se conocen co-moportadores intrnsecos. La tabla 1.1 compara el nmero de portadores intrnsecos por cent-metrocbico de Ge, Si y GaAs. Es interesante sealar que el Ge tiene el mayor nmero y elGaAs el menor; en realidad, el Ge tiene el doble que el GaAs. El nmero de portadores en la for-maintrnseca es importante, aunque otras caractersticas del material son ms significativas aldeterminar su uso en campo. Uno de esos factores es la movilidad relativa (mn) de los portado-reslibres en el material, es decir, la capacidad de los electrones libres de moverse por todo elmaterial. La tabla 1.2 revela con claridad que la movilidad de los portadores libres en el GaAses ms de cinco veces la de los portadores libres en el Si; un factor que produce tiempos de res-puestacon dispositivos electrnicos de GaAs que puede ser hasta cinco veces las de los mismosdispositivos hechos de Si. Observe tambin que los portadores libres en el Ge tienen ms de dosveces la movilidad de los electrones en el Si, lo cual es un factor que da como resultado el usocontinuo de Ge en aplicaciones de frecuencia de radio de alta velocidad.TABLA 1.1Portadores intrnsecosPortadores intrnsecosSemiconductor (por centmetro cbico)GaAs1.7 * 106Si1.5 * 1010Ge 2.5 * 1013TABLA 1.2Factor de movilidad relativa mnSemiconductor Mn (cm2/Vs)Si 1500Ge 3900GaAs 8500Uno de los avances tecnolgicos de las ltimas dcadas ha sido la capacidad de producir ma-terialessemiconductores de muy alta pureza. Recuerde que ste era uno de los problemas quese enfrentaron en los inicios de la utilizacin del silicio, pues era ms fcil producir germaniode los niveles de pureza requeridos. Actualmente, los niveles de impureza de 1 parte en 10 milmillones son comunes, con mayores niveles alcanzables para circuitos integrados a gran escala.Se podra cuestionar si se necesitan niveles de pureza extremadamente altos. De hecho lo son sise considera que la adicin de una parte de impureza (del tipo apropiado) por milln en una obleade material de silicio puede cambiarlo de un conductor relativamente deficiente a un buen conduc-torde electricidad. Desde luego, tenemos que abordar un nivel de comparacin por completo nue-vocuando abordamos el medio semiconductor. La capacidad de cambiar las caractersticas de unmaterial mediante este proceso se llama impurificacin o dopado, algo que el germanio, el silicioy el arseniuro de galio aceptan con facilidad y rapidez. El proceso de dopado se analiza en de-talleen las secciones 1.5 y 1.6.Una importante e interesante diferencia entre semiconductores y conductores es su reaccinante la aplicacin de calor. En el caso de los conductores, la resistencia se incrementa con unaumento de calor. Esto se debe a que el nmero de portadores presentes en un conductor no seincrementan de manera significativa con la temperatura, aunque su patrn de vibracin con res-pectoa un lugar relativamente fijo dificulta cada vez ms el flujo continuo de portadores a tra-vsdel material. Se dice que los materiales que reaccionan de esta manera tienen un coeficien-tede temperatura positivo. Los materiales semiconductores, sin embargo, presentan un nivelincrementado de conductividad con la aplicacin de calor. Conforme se eleva la temperatura, unmayor nmero de electrones de valencia absorben suficiente energa trmica para romper el en-lacecovalente y as contribuir al nmero de portadores libres. Por consiguiente:Los materiales semiconductores tienen un coeficiente de temperatura negativo.1.4 NIVELES DE ENERGA Dentro de la estructura atmica de cada tomo aislado hay niveles especficos de energa asociadoscon cada capa y electrn en rbita, como se muestra en la figura 1.6. Los niveles de energa asocia-doscon cada capa son diferentes segn el elemento de que se trate. Sin embargo, en general:Cuanto ms alejado est un electrn del ncleo, mayor es su estado de energa y cualquierelectrn que haya abandonado a su tomo padre tiene un estado de energa mayor que todoelectrn que permanezca en la estructura atmica.Observe en la figura 1.6a que slo puede haber niveles de energa especficos para los elec-tronesque permanecen en la estructura atmica de un tomo aislado. El resultado es una serie 24. 6Brecha de energaBrecha de energaetc.Nivel de valencia (capa ms externa)Segundo nivel (siguiente capa interna)Tercer nivel (etc.)EnergaNcleo(a)EnergaEnerga EnergaBanda de conduccinE g5 eV Banda de valenciaConductor Banda de valenciaBanda de conduccinEgBanda de valenciaBanda de conduccinBandassobrepuestasElectroneslibres paraestablecer laconduccinElectronesde valenciapara enlazarla estructuraatmicaE g = 0.67 eV (Ge)E g = 1.1 eV (Si)E g = 1.43 eV (GaAs)AislanteSemiconductor(b) Incapaz de alcanzarel nivel de conduccin FIG. 1.6Niveles de energa: (a) niveles discretos en estructuras atmicas aisladas; (b) bandas de conduccin y valencia de unaislante, un semiconductor y un conductor.de brechas entre niveles de energa permitidos donde no se permiten portadores. Sin embargo,conforme los tomos de un material se acercan entre s para formar la estructura entrelazada cris-talina,interactan entre ellos, lo cual hace que los electrones de una capa particular de un tomotengan niveles de energa ligeramente diferentes de los electrones presentes en la misma rbitade un tomo adyacente. El resultado es una expansin de los niveles de energa fijos discretos delos electrones de valencia de la figura 1.6a a bandas, como se muestra en la figura 1.6b. En otraspalabras, los electrones de valencia de un material de silicio pueden tener diversos niveles deenerga, en tanto se encuentren dentro de la banda de la figura 1.6b. La figura 1.6b revela conclaridad que hay un nivel de energa mnimo asociado con electrones que se encuentran en labanda de conduccin y un nivel de energa mximo de electrones enlazados a la capa de valen-ciadel tomo. Entre los dos hay una brecha de energa que el electrn en la banda de valenciadebe salvar para convertirse en portador libre. Esa brecha de energa es diferente para Ge, Si yGaAS; el Ge tiene la brecha mnima y el GaAs la mxima. En suma, esto significa que:Un electrn en la banda de valencia de silicio debe absorber ms energa que uno en labanda de valencia de germanio para convertirse en portador libre. Asimismo, un electrnen la banda de valencia de arseniuro de galio debe absorber ms energa que uno en la desilicio o germanio para entrar a la banda de conduccin.Esta diferencia en los requerimientos de las brechas de energa revela la sensibilidad de cada ti-pode semiconductor a los cambios de temperatura. Por ejemplo, al elevarse la temperatura deuna muestra de Ge, el nmero de electrones que pueden absorber energa trmica y entrar a labanda de conduccin se incrementa con rapidez porque la brecha de energa es mnima. Sin embar-go,el nmero de electrones que entran a la banda de conduccin en Si o GaAs es mucho menor.Esta sensibilidad a los cambios de nivel de energa puede tener efectos positivos y negativos. Eldiseo de fotodetectores sensibles a la luz y los sistemas de seguridad sensibles al calor, parecenser una excelente rea de aplicacin de los dispositivos de Ge. No obstante, en el caso de redesde transistores, en las que la estabilidad es de alta prioridad, esta sensibilidad a la temperatura oa la luz puede ser un factor perjudicial. 25. MATERIALES 7EXTRNSECOS:MATERIALESTIPO n Y TIPO pLa brecha de energa tambin revela qu elementos son tiles en la construccin de disposi-tivosemisores de luz como diodos emisores de luz (LED, por sus siglas en ingls), los cuales sepresentarn en breve. Cuanto ms ancha es la brecha de energa, mayor es la posibilidad deque la energa se libere en forma de ondas luminosas visibles o invisibles (infrarrojas). En el casode conductores, el traslape de las bandas de conduccin y valencia provoca esencialmente quetoda la energa adicional absorbida por los electrones se disipe en forma de calor. Asimismo, en elcaso de Ge y Si, como la brecha de energa es tan pequea, la mayora de los electrones que absor-bensuficiente energa para abandonar la banda de valencia terminan en la banda de conduccin yla energa se disipa en forma de calor. Sin embargo, en el caso de GaAs la brecha es suficiente-mentegrande para producir radiacin luminosa significativa. En el caso de los LED (seccin1.9) el nivel de dopado y los materiales seleccionados determinan el color resultante.Antes de dejar este tema, es importante subrayar la importancia de entender las unidades uti-lizadaspara una cantidad. En la figura 1.6 las unidades de medicin son electrn volts (eV). Launidad de medicin es apropiada porque W (energa)QV(derivada de la ecuacin de defi-nicinde voltaje: VW/Q). Si se sustituye la carga de un electrn y una diferencia de poten-cialde un 1 volt, se produce un nivel de energa conocido como electrn volt.1.5 MATERIALES EXTRNSECOS: MATERIALES TIPO nY TIPO p Como el Si es el material ms utilizado como material base (sustrato) en la construccin de dispo-sitivosde estado slido, el anlisis en sta y en las siguientes secciones se ocupa slo de semicon-ductoresSi. Como el Ge, el Si y el GaAs comparten un enlace covalente similar, se puede ampliarfcilmente el anlisis para incluir el uso de otros materiales en el proceso de fabricacin.Como ya antes se indic, las caractersticas de un material semiconductor se pueden modificarde manera significativa con la adicin de tomos de impureza especficos al material semiconduc-torrelativamente puro. Estas impurezas, aunque slo se agregan en 1 parte en 10 millones, puedenalterar la estructura de las bandas lo suficiente para cambiar del todo las propiedades elctricasdel material.Un material semiconductor que ha sido sometido al proceso de dopado se conoce como ma-terialextrnseco.Hay dos materiales extrnsecos de inmensurable importancia en la fabricacin de dispositi-vossemiconductores: materiales tipo n y tipo p. Cada uno se describe con algn detalle en lassiguientes subsecciones.Material tipo nTanto los materiales tipo n como los tipo p se forman agregando un nmero predeterminado detomos de impureza a una base de silicio. Un material tipo n se crea introduciendo elementos de im-purezaque contienen cinco electrones de valencia (pentavelantes), como el antimonio, el arsnicoy el fsforo. El efecto de tales elementos de impureza se indica en la figura 1.7 (con antimonio Si Si SiQuinto electrn devalencia de antimonio Impureza de antimonio SiSb Si Si Si Si FIG. 1.7Impureza de antimonio en un material tipo n. 26. DIODOSSEMICONDUCTORES8como la impureza en una base de silicio). Observe que los cuatros enlaces covalentes permane-cen.Existe, sin embargo, un quinto electrn adicional debido al tomo de impureza, el cual noest asociado con cualquier enlace covalente particular. Este electrn restante, enlazado de ma-nerapoco firme a su tomo padre (antimonio), est en cierto modo libre para moverse dentro delmaterial tipo n recin formado, puesto que el tomo de impureza insertado ha donado un elec-trnLas impurezas difundidas con cinco electrones de valencia se conocen como tomos donadores.Es importante tener en cuenta que aun cuando un gran nmero de portadores libres se ha es-tablecidoen el material tipo n, sigue siendo elctricamente neutro puesto que de manera ideal elnmero de protones de carga positiva en los ncleos sigue siendo igual al de los electrones decarga negativa libres y en rbita en la estructura.El efecto de este proceso de dopado en la conductividad relativa se puede describir mejor uti-lizandoel diagrama de bandas de energa de la figura 1.8. Observe que un nivel de energa discre-to(llamado nivel donador) aparece en la banda prohibida con una Eg significativamente menor quela del material intrnseco. Los electrones libres creados por la impureza agregada se establecenen este nivel de energa y absorben con menos dificultad una cantidad suficiente de energa tr-micapara moverse en la banda de conduccin a temperatura ambiente. El resultado es que a tem-peraturaambiente, hay un gran nmero de portadores (electrones) en el nivel de conduccin yla conductividad del material se incrementa de manera significativa. A temperatura ambiente enun material de Si intrnseco hay alrededor de un electrn libre por cada 1012 tomos. Si el nivelde dopado es de 1 en 10 millones (107), la razn 1012/107105 indica que la concentracin deportadores se ha incrementado en una razn de 100,000:1.Eg = considerablemente menor queen la figura 1.6(b) para semiconductoresrelativamente libre a la estructura. Material tipo pEl material tipo p se forma dopando un cristal de germanio o silicio puro con tomos de impu-rezaque tienen tres electrones de valencia. Los elementos ms utilizados para este propsito sonboro, galio e indio. El efecto de uno de estos elementos, el boro, en una base de silicio se indi-caen la figura 1.9.EnergaBanda de conduccinBanda de valenciaNivel de energa de un donadorEg de materialesintrnsecos FIG. 1.8Efecto de las impurezas de un donador en la estructura de la banda de energa. Si Si Si Si Vaco(+ o 0)B Si Si Si Si Impurezade boro(B)FIG. 1.9Impureza de boro en un material tipo n. 27. MATERIALES 9EXTRNSECOS:MATERIALESTIPO n Y TIPO pObserve que ahora el nmero de electrones es insuficiente para completar las bandas covalen-tesde la estructura recin formada. El vaco resultante se llama hueco y se denota con un pequeocrculo o un signo ms, para indicar la ausencia de una carga positiva. Por lo tanto, el vaco resul-tanteaceptar con facilidad un electrn libre:Las impurezas difundidas con tres electrones de valencia se llaman tomos aceptores.El material tipo p es elctricamente neutro por las mismas razones descritas para el materialtipo n.Flujo de electrones contra flujo de huecosEl efecto del hueco en la conduccin se muestra en la figura 1.10. Si un electrn de valencia ad-quieresuficiente energa cintica para romper su enlace covalente y llenar el vaco creado porun hueco, entonces se crear un vaco o hueco en la banda covalente que cedi el electrn. Exis-te,por consiguiente, una transferencia de huecos hacia la izquierda y de electrones hacia la de-recha,como se muestra en la figura 1.10. La direccin que se utilizar en este texto es la del flu-joconvencional, la cual est indicada por la direccin del flujo de huecos. Si Si Si Si+ Si Si B Si Flujo de huecosFlujo de electronesFIG. 1.10Flujo de electrones contra flujo de huecos.Portadores mayoritarios y minoritariosEn el estado intrnseco, el nmero de electrones libres en Ge o Si se debe slo a los electronesen la banda de valencia que adquirieron suficiente energa de fuentes trmicas o luminosas pararomper la banda covalente o a las impurezas que no pudieron ser eliminadas. Los vacos quequedan en la estructura de enlace covalente representan una fuente muy limitada de huecos. Enun material tipo n, el nmero de huecos no cambia significativamente con respecto a este nivelintrnseco. El resultado neto, por consiguiente, es que el nmero de electrones sobrepasa por mu-choal de huecos. Por eso:En un material tipo n (Fig. 1.11a) el electrn se llama portador mayoritario y el hueco por-tadorminoritario.+Iones donadores + + +Iones aceptores+ ++ + + +PortadorminoritarioPortadoresmayoritariosPortadorminoritarioPortadoresmayoritarios+tipo n tipo p++++++ ++ +++++++ + + +(a) (b) FIG. 1.11(a) material tipo n; (b) material tipo p. 28. 10 En el material tipo p el nmero de huecos excede por mucho al de electrones, como se mues-traDIODOSSEMICONDUCTORESen la figura 1.11b. Por consiguiente:En un material tipo p, el hueco es el portador mayoritario y el electrn el minoritario.Cuando el quinto electrn de un tomo donador abandona el tomo padre, el tomo que que-daadquiere una carga positiva neta: de ah el signo ms en la representacin de in donador. Porlas mismas razones, el signo menos aparece en el in aceptor.Los materiales tipo n y p representan los bloques de construccin bsicos de los dispositivossemiconductores. En la siguiente seccin veremos que la unin de un material tipo n conuno tipo p producir un elemento semiconductor de considerable importancia en sistemaselectrnicos.1.6 DIODO SEMICONDUCTOR Ahora que los materiales tanto tipo n como tipo p estn disponibles, podemos construir nuestroprimer dispositivo electrnico de estado slido. El diodo semiconductor, con aplicaciones de-masiadonumerosas de mencionar, se crea uniendo un material tipo n a un material tipo p, nadams que eso; slo la unin de un material con un portador mayoritario de electrones a uno conun portador mayoritario de huecos. La simplicidad bsica de su construccin refuerza la impor-tanciadel desarrollo de esta rea de estado slido.Sin polarizacin aplicada (V0 V)En el momento en que los dos materiales se unen, los electrones y los huecos en la regin dela unin se combinan y provocan una carencia de portadores libres en la regin prxima a launin, como se muestra en la figura 1.12a. Observe en la figura 1.12a que las nicas partculasmostradas en esta regin son los iones positivos y negativos que quedan una vez que los porta-doreslibres han sido absorbidos.++++++++ + + ++pp nID = 0 mAVD = 0 V+ +(sin polarizacin)+ VD = 0 V (sin polarizacin)+ +++ +ID = 0 mAnRegin de agotamiento++ + +++ ++++ ++++++++++ ++ (a)Flujo de portadoresminoritariosFlujo de portadoresmayoritarios(b) (c)ContactometlicoIeIhIhIeID = 0 mAFIG. 1.12Una unin tipo pn con polarizacin interna: (a) una distribucin de carga interna; (b) un smbolode diodo, con la polaridad definida y la direccin de la corriente; (c) demostracin de que el flujode portadores neto es cero en la terminal externa del dispositivo cuando VD0 V. 29. DIODO 11SEMICONDUCTOREsta regin de iones positivos y negativos revelados se llama regin de empobrecimiento,debido a la disminucin de portadores libres en la regin.Si se conectan cables conductores a los extremos de cada material, se produce un dispositivo dedos terminales, como se muestra en las figuras 1.12a y 1.12b. Se dispone entonces de tres opcio-nes:sin polarizacin, polarizacin en directa y polarizacin en inversa. El trmino polarizacinse refiere a la aplicacin de un voltaje externo a travs de las dos terminales del dispositivo paraextraer una respuesta. La condicin mostrada en las figuras 1.12a y la 1.12b es la situacin sinpolarizacin porque no hay ningn voltaje externo aplicado. Es un diodo con dos cables conduc-toresque yace aislado sobre un banco de laboratorio. En la figura 1.12b se proporciona el smbo-lode un diodo semiconductor para mostrar su correspondencia con la unin p-n. En cada figuraes evidente que el voltaje aplicado es de 0 V (sin polarizacin) y la corriente resultante es de 0 A,casi como un resistor aislado. La ausencia de voltaje a travs de un resistor produce una corrien-tecero a travs de l. Incluso en este punto inicial del anlisis es importante sealar la polaridaddel voltaje a travs del diodo en la figura 1.12b y la direccin dada a la corriente. Esas polarida-dessern reconocidas como las polaridades definidas del diodo semiconductor. Si se aplica unvoltaje a travs del diodo cuya polaridad a travs de l sea la mostrada en la figura 1.12b, se con-siderarque el voltaje es positivo. A la inversa, el voltaje es negativo. Los mismos estndares sepueden aplicar a la direccin definida de la corriente en la figura 1.12b.En condiciones sin polarizacin, cualesquier portadores minoritarios (huecos) del materialtipo n localizados en la regin de empobrecimiento por cualquier razn pasarn de inmediato almaterial p. Cuanto ms cerca de la unin est el portador minoritario, mayor ser la atraccin dela capa de iones negativos y menor la oposicin ofrecida por los iones positivos en la regin de em-pobrecimientodel material tipo n. Concluiremos, por consiguiente, para anlisis futuros, quecualesquier portadores minoritarios del material tipo n localizados en la regin de empobrecimien-topasarn directamente al material tipo p. Este flujo de portadores se indica en la parte superiorde la figura 1.12c para los portadores minoritarios de cada material.Los portadores mayoritarios (electrones) del material tipo n deben vencer las fuerzas de atrac-cinde la capa de iones positivos en el material tipo n y el escudo de iones negativos en el ma-terialtipo p para que emigren al rea ms all de la regin de empobrecimiento del materialtipo p. Sin embargo, el nmero de portadores mayoritarios es tan grande en el material tipo nque invariablemente habr un menor nmero de portadores mayoritarios con suficiente energacintica para que atraviesen la regin de empobrecimiento hacia el material p. De nueva cuen-ta,se puede aplicar el mismo tipo de planteamiento a los portadores mayoritarios (huecos) delmaterial tipo p. El flujo resultante producido por los portadores mayoritarios se muestra en laparte inferior de la figura 1.12c.Un examen minucioso de la figura 1.12c revela que las magnitudes relativas de los vectoresde flujo son tales que el flujo neto en una u otra direccin es cero. Las lneas transversales indicanesta cancelacin de los vectores de cada tipo de flujo de portadores. La longitud del vector que re-presentael flujo de huecos se traza ms larga que la del flujo de electrones para demostrar quelas dos magnitudes no tienen que ser iguales para la cancelacin, y que los niveles de dopado decada material pueden producir un flujo desigual de huecos y electrones. En suma:Sin ninguna polarizacin aplicada a travs de un diodo semiconductor, el flujo neto de car-gaen una direccin es cero.En otras palabras, la corriente en condiciones sin polarizacin es cero, como se muestra enlas figuras 1.12a y 1.12b.Condicin de polarizacin en inversa (VD0 V)Si se aplica un potencial externo de V volts a travs de la unin p-n con la terminal positivaconectada al material tipo n y la negativa conectada al material tipo p como se muestra en la fi-gura1.13, el nmero de iones positivos revelados en la regin de empobrecimiento del materialtipo n se incrementar por la gran cantidad de electrones libres atrados por el potencial positi-vodel voltaje aplicado. Por las mismas razones, el nmero de iones negativos no revelados seincrementar en el material tipo p. El efecto neto, por consiguiente, es una mayor apertura de laregin de empobrecimiento, la cual crea una barrera demasiado grande para que los portadoresmayoritarios la puedan superar, por lo que el flujo de portadores mayoritarios se reduce efecti-vamentea cero, como se muestra en la figura 1.13a.Sin embargo, el nmero de portadores minoritarios que entran a la regin de empobrecimien-tono cambia, y se producen vectores de flujo de portadores minoritarios de la misma magnitudindicada en la figura 1.12c sin voltaje aplicado.La corriente en condiciones de polarizacin en inversa se llama corriente de saturacin eninversa y est representada por Is. 30. DIODOSSEMICONDUCTORES12V D +p nIs+++++++++++ ++ ++ ++ ++ ++ +++++ + +p nRegin de empobrecimientoIs Flujo de portadores minoritariosImayoritarios0AIs Is +(Opuesta)(b) +VD(a)FIG. 1.13Unin p-n polarizada en inversa: (a) distribucin interna de la carga encondiciones de polarizacin en inversa; (b) polaridad de polarizacinen inversa y direccin de la corriente de saturacin en inversa.La corriente de saturacin en inversa rara vez es de ms de algunos microamperes, excepto enel caso de dispositivos de alta potencia. De hecho, en los ltimos aos su nivel, por lo general, seencuentra en el intervalo de los nanoamperes en dispositivos de silicio. El trmino saturacinse deriva del hecho de que alcanza su nivel mximo con rapidez y que no cambia de manera sig-nificativacon los incrementos en el potencial de polarizacin en inversa, como se muestra en lascaractersticas de diodo de la figura 1.15 con VD0 V. Las condiciones de polarizacin en inversase ilustran en la figura 1.13b para el smbolo de diodo y unin p-n. Observe, en particular, que ladireccin de Is se opone a la flecha del smbolo. Observe tambin que el lado negativo del voltajeaplicado est conectado al material tipo p y el lado positivo al material tipo n, y la diferencia indi-cadacon las letras subrayadas por cada regin revela una condicin de polarizacin en inversa.Condicin de polarizacin en directa (VD0 V)La condicin de polarizacin en directa o encendido se establece aplicando el potencial po-sitivoal material tipo p y el potencial negativo al tipo n como se muestra en la figura 1.14.Regin de empobrecimiento +(a)I IDImayoritariosIs mayoritariosFIG. 1.14(b)Unin p-n polarizada en directa: (a) distribucin interna de la carga en condiciones de polarizacinen directa; (b) polarizacin directa y direccin de la corriente resultante.La aplicacin de un potencial de polarizacin en directa VD presionar a los electrones en elmaterial tipo n y a los huecos en el material tipo p para que se recombinen con los iones prximosal lmite y reducir el ancho de la regin de empobrecimiento como se muestra en la figura 1.14a.El flujo de portadores minoritarios de electrones resultante del material tipo p al material tipo n(y de huecos del material tipo n al tipo p) no cambia de magnitud (puesto que el nivel de conduc-cines controlado principalmente por el nmero limitado de impurezas en el material), aunquela reduccin del ancho de la regin de empobrecimiento produjo un intenso flujo de portadores 31. mayoritarios a travs de la unin. Un electrn del material tipo p ahora ve una barrera reducidaen la unin debido a la regin de empobrecimiento reducida y a una fuerte atraccin del potencialpositivo aplicado al material tipo p. En cuanto se incrementa la magnitud de la polarizacin apli-cada,el ancho de la regin de empobrecimiento continuar reducindose hasta que un flujo deelectrones pueda atravesar la unin, lo que produce un crecimiento exponencial de la corrientecomo se muestra en la regin de polarizacin en directa de las caractersticas de la figura 1.15.Observe que la escala vertical de la figura 1.15 est en miliamperes (aunque algunos diodos se-miconductorestienen una escala vertical medida en amperes) y la escala horizontal en la reginde polarizacin en directa tiene un mximo de 1 V. Por consiguiente, en general el voltaje a tra-vsde un diodo polarizado en directa ser menor de 1 V. Observe tambin cuan rpido se elevala corriente despus de la rodilla de la curva.Se puede demostrar por medio de la fsica de estado slido que las caractersticas generalesde un diodo semiconductor se pueden definir mediante la siguiente ecuacin, conocida comoecuacin de Shockley, para las regiones de polarizacin en directa y en inversa:(1.1)ID = Is1eVDnVT - 12 1A2donde Is es la corriente de saturacin en inversaVD es el voltaje de polarizacin en directa aplicado a travs del diodon es un factor de idealidad, el cual es una funcin de las condiciones de operacin yconstruccin fsica; vara entre 1 y 2 segn una amplia diversidad de factores.(se supondr n1 en todo este texto a menos que se indique de otra manera).El voltaje VT en la ecuacin (1.1) se llama voltaje trmico y est determinado por(1.2)VT =kTq1V2donde k es la constante de Boltzmann1.381023 J/KT es la temperatura absoluta en Kelvin273la temperatura en C.q es la magnitud de la carga del electrn1.61019 C.EJEMPLO 1.1 A una temperatura de 27C (temperatura comn para componentes en un siste-made operacin cerrado), determine el voltaje trmico VT.Solucin: Sustituyendo en la ecuacin (1.2), obtenemosT = 273 + C = 273 + 27 = 300 KkTq =11.38 * 10-23 J/K2130021.6 * 10-19 C= 25.875 mV26 mVVT =El voltaje trmico se convertir en un parmetro importante en los anlisis de este captulo yvarios de los siguientes.Inicialmente, la ecuacin (1.1) con todas sus cantidades definidas puede parecer un tantocomplicada. Sin embargo, no se utilizar mucho en el anlisis siguiente. Lo importante en estemomento es entender el origen de las caractersticas del diodo y qu factores afectan su forma.En la figura 1.15 aparece una curva de la ecuacin (1.1), la lnea punteada, con Is10 pA.Si la expandimos a la forma siguiente, el componente contribuyente en cada regin de la figura1.15 se describe con mayor claridad:ID = IseVDnVT - IsCon valores positivos de VD el primer trmino de la ecuacin anterior crecer con rapidez yanular por completo el efecto del segundo trmino. El resultado es la siguiente ecuacin, la cualslo tiene valores positivos y adopta la forma exponencial ex que aparece en la figura 1.16:IDIseVD/nVT (VD positivo)DIODO 13SEMICONDUCTOR 32. DIODOSSEMICONDUCTORES142019181716151413121110987654321ID (mA)Polaridad y direccindefinidas para la grfica40 30 20 10 0.3 0.5 0.7 1VD (V)+ VD IDRegin de polarizacinen directa(VD0 V, ID0 mA)0 20 pA 30 pA 40 pA 50 pASin polarizacin(VD = 0 V, ID = 0 mA) 10 pARegin de polarizacinen inversa(VD0 V, ID = Is )Ec. (1.1)Unidad comercialrealFIG. 1.15Caractersticas del diodo semiconductor de silicio.e5148.4e454.62 3 4 5 6 7 xex exx2001501000 1e320.1e5.5244.750e1e2.7181 2510e01FIG. 1.16Grfica de ex.La curva exponencial de la figura 1.16 se incrementa muy rpido con los valores crecientesde x. Con x0, e0 1, en tanto que con x5 salta a ms de 148. Si continuamos x10, lacurva salta a ms de 22,000. Es evidente, por consiguiente, que a medida que se incrementa elvalor de x, la curva se vuelve casi vertical, una conclusin importante que se habr de recordarcuando examinemos el cambio de la corriente con valores crecientes del voltaje aplicado. 33. DIODO 15SEMICONDUCTORCon valores negativos de VD el trmino exponencial se reduce con rapidez por debajo delnivel de I y la ecuacin resultante para ID esIDIs (VD negativo)Observe en la figura 1.15 que con valores negativos de VD la corriente en esencia es horizon-talal nivel de Is.Con V0 V, la ecuacin (1.1) se vuelveID = Is1e0 - 12 = Is11 - 12 = 0 mAcomo lo confirma la figura 1.15.El cambio abrupto de direccin de la curva en VD0 V se debe al cambio de las escalas decorriente de arriba hacia abajo del eje. Observe que arriba del eje la escala est en miliamperes(mA), en tanto que debajo del eje est en picoamperes (pA).Tericamente, con todo perfecto, las caractersticas de un diodo de silicio deben ser como lasmuestra la lnea punteada de la figura 1.15. Sin embargo, los diodos de silicio comerciales sedesvan de la condicin ideal por varias razones, entre ellas la resistencia de cuerpo interna yla resistencia de contacto externa de un diodo. Cada una contribuye a un voltaje adicional conel mismo nivel de corriente, como lo determina la ley de Ohm, lo que provoca el desplazamien-tohacia la derecha que se muestra en la figura 1.15.El cambio de las escalas de corriente entre las regiones superior e inferior de la grfica seobserv antes. Para el voltaje VD tambin hay un cambio mensurable de escala entre la reginderecha de la grfica y la izquierda. Con valores positivos de VD la escala est en dcimas devolts, y en la regin negativa est en decenas de volts.Es importante sealar en la figura 1.14b cmo:La direccin definida de la corriente convencional en la regin de voltaje positivo corres-pondea la punta de flecha del smbolo de diodo.ste siempre ser el caso para un diodo polarizado en directa. Tambin es til sealar que lacondicin de polarizacin en directa se establece cuando la barra que representa el lado negati-vodel voltaje aplicado concuerda con el lado del smbolo con la barra vertical.Yendo un paso ms all al examinar la figura 1.14b, vemos que se establece una condicinde polarizacin en directa a travs de la unin p-n cuando el lado positivo del voltaje se aplicaal material tipo p (observando la correspondencia en la letra p) y el lado negativo del voltaje seaplica al material tipo n (observando la misma correspondencia).Es particularmente interesante observar que la corriente de saturacin en inversa de la uni-dadcomercial es notoriamente mayor que la de Is en la ecuacin de Shockley. Esto se debe aefectos que no estn incluidos en la ecuacin de Shockley, como la generacin de portadores enla regin de empobrecimiento y corrientes de fuga superficiales, las cuales son sensibles al reade contacto en la unin. En otras palabras:Por lo comn, la corriente de saturacin en inversa real de un diodo comercial ser mediblea un valor mayor que la que aparece como la corriente de saturacin en inversa en la ecua-cinde Shockley.Es importante tener en cuenta, sin embargo, que incluso si la corriente de saturacin en in-versaes 1000 veces mayor, si Is10 pA la corriente de saturacin en inversa se incrementara slo 10 nA, lo que an puede ser ignorado en la mayora de las aplicaciones.Otra factor que tiene un marcado efecto en la magnitud de la corriente de saturacin en in-versaes el rea de contacto en la unin:Hay una correspondencia directa entre el rea de contacto en la unin y el nivel de corrien-tede saturacin en inversa.Por ejemplo, si suponemos que el rea de contacto que se requiere para manejar un diodo de1 A es 1000 veces la de un diodo con una corriente directa nominal mxima de 1 mA (con Is 1 nA), entonces, de acuerdo con el enunciado anterior, la corriente de saturacin en inversa deldiodo de 1 A ser 1000 veces la del diodo de 1 mA o 1 mA (un nivel que podra ser preocupan-teen algunas aplicaciones).Veremos en los anlisis siguientes que la situacin ideal es que Is sea de 0 A en la regin depolarizacin en inversa. El hecho de que en la actualidad por lo general ocurra en el intervalode 0.01 pA a 10 pA en comparacin el de 0.1 mA a 1 mA de hace unas cuantas dcadas es unpunto a favor de la industria manufacturera. Comparando el valor comn de 1 nA con el nivelde 1 mA de hace aos se ve que se logr un factor de mejora de 100,000. 34. 16 Regin ZenerDIODOSSEMICONDUCTORESAun cuando la escala de la figura 1.15 est en dcimas de volts en la regin negativa, hay unpunto donde la aplicacin de un voltaje demasiado negativo producir un cambio abrupto de lascaractersticas, como se muestra en la figura 1.17. La corriente se incrementa muy rpido en unadireccin opuesta a la de la regin de voltaje positivo. El potencial de polarizacin en inversaque produce este cambio dramtico de las caractersticas se llama potencial Zener y su smboloes VZ.IDIsVDVZ0ReginzenerFIG. 1.17Regin Zener.A medida que se incrementa el voltaje a travs del diodo en la regin de polarizacin en in-versa,tambin se incrementar la velocidad de los portadores minoritarios responsables de lacorriente de saturacin en inversa Is. Con el tiempo, su velocidad y energa cintica asociadasern suficientes para liberar ms portadores por colisiones con otras estructu-ras1WK = 12mv22atmicas que de lo contrario seran estables. Es decir, se producir un proceso de ionizacinpor medio del cual los electrones de valencia absorben suficiente energa para abandonar eltomo padre. Estos portadores adicionales pueden ayudar entonces al proceso de ionizacinal punto en que se establece una corriente de avalancha y determina la regin de ruptura deavalancha.Se puede hacer que la regin de avalancha (VZ) se acerque al eje vertical incrementando losniveles de dopado en los materiales p y n. Sin embargo, conforme VZ se reduce a niveles muybajos, por ejemplo 5 V, otro mecanismo, llamado ruptura Zener contribuir al cambio abruptode la caracterstica. Esto sucede porque hay un fuerte campo elctrico en la regin de la uninque puede desbaratar las fuerzas de enlace dentro del tomo y generar portadores. Aun cuan-doel mecanismo de ruptura Zener es un contribuyente significativo slo a niveles bajos de VZ,este cambio abrupto de la caracterstica a cualquier nivel se llama regin Zener y los diodos queemplean esta parte nica de la caracterstica de una unin pn se llaman diodos Zener. Se des-cribenen detalle en la seccin 1.15.Se debe evitar la regin Zener del diodo semiconductor descrita para que el sistema no seamodificado por completo por el cambio abrupto de las caractersticas en esta regin de voltajeinverso.El mximo potencial de polarizacin en inversa que se puede aplicar antes de entrar a laregin Zener se llama voltaje inverso pico (conocido como valor PIV) o voltaje de reversapico (denotado como valor PRV).Si una aplicacin requiere un valor PIV mayor que el de una sola unidad, se pueden conectaren serie varios diodos de las mismas caractersticas. Los diodos tambin se conectan en parale-lopara incrementar la capacidad de llevar corriente.En la seccin 1.12 se mostrar cuando revisemos las hojas de especificaciones provistas conlos diodos comerciales que:A una temperatura fija, la corriente de saturacin en inversa de un diodo se incrementa conun incremento de la polarizacin en inversa aplicada. 35. DIODO 17SEMICONDUCTORPor ejemplo, el diodo descrito en la seccin 1.12 tiene una corriente de saturacin en inver-sade 1 nA a 20 V a temperatura ambiente, pero de 5 nA a 100 V a la misma temperatura.Ge, Si y GaAsEl anlisis realizado hasta ahora ha utilizado nicamente Si como material semiconductor base.Ahora es importante compararlo con otros dos materiales de primordial importancia: GaAs yGe. En la figura 1.18 aparece una grfica que compara las caractersticas de diodos de Si, GaAsy Ge comerciales. De inmediato es obvio que el punto de levantamiento vertical de las caracte-rsticases diferente para cada material, aunque la forma general de cada una es muy semejante.El germanio es el ms cercano al eje vertical y el GaAs es el ms distante. Como se observa enlas curvas, el centro de la rodilla de la curva est aproximadamente en 0.3 V para Ge, 0.7 V paraSi y 1.2 V para GaAs (vea la tabla 1.3).TABLA 1.3Voltajes VK de rodillaSemiconductor VK(V)Ge 0.3Si 0.7GaAs 1.230252015105ID (mA)5 A100 V 50 V1 ALa forma de la curva en la regin de polarizacin inversa tambin es bastante parecida paracada material, pero observe la diferencia medible en las magnitudes de las corrientes de saturacinen inversa tpicas. Para GaAs, la corriente de saturacin en inversa es por lo general de aproxi-madamente1 pA, comparada con 10 pA para Si y 1 mA para Ge; una diferencia significativa deniveles.Tambin observe las magnitudes relativas de los voltajes de ruptura en inversa para cada mate-rial.El GaAs en general tiene niveles de ruptura mximos que superan a los de los dispositivosde Si del mismo nivel de potencia en aproximadamente 10%, y ambos tienen voltajes de ruptu-raque por lo general oscilan entre 50 V y 1 kV. Hay diodos de potencia de Si con voltajes deruptura tan altos como 20 kV. El germanio suele tener voltajes de ruptura de menos de 100 V,con mximos alrededor de 400 V. Las curvas de la figura 1.18 estn diseadas slo para reflejarvoltajes de ruptura de los tres materiales. Cuando se consideran los niveles de las corrientes desaturacin en inversa y los voltajes de ruptura, el Ge ciertamente sobresale porque tiene las ca-ractersticasmnimas deseables.FIG. 1.18Comparacin de diodos de Ge, Si y GaAs.VZ (Si)VZ (Ge)Is (Ge)VZ (GaAs)Is (GaAs)Is (Si)Ge Si GaAs0.3 0.7 1.0 1.2 VD (V)VK (Ge) VK (Si) VK (GaAs)10 A 36. EJEMPLO 1.2 Cmo utilizar las curvas de la figura 1.18:a. Determine el voltaje a travs de cada diodo con una corriente de 1 mA.b. Repita con una corriente de 4 mA.c. Repita con una corriente de 30 mA.d. Determine el valor promedio del voltaje en el diodo para el intervalo de corrientes antes dadas.e. Cmo se comparan los valores promedio con los voltajes de rodilla que aparecen en latabla 1.3?Solucin:a. VD(Ge)0.2 V, VD(Si)0.6 V, VD (GaAs)1.1 Vb. VD(Ge)0.3 V, VD(Si)0.7 V, VD (GaAs)1.2 Vc. VD(Ge)0.42 V, VD(Si)0.82 V, VD (GaAs)1.33 Vd. Ge: Vav(0.2 V0.3 V0.42 V)/30.307 VSi: Vav(0.6 V0.7 V0.82 V)/30.707 VGaAs: Vav(1.1 V1.2 V1.33 V)/31.21 Ve. Muy parecidos: Ge: 0.307 V vs. 0.3 V, Si: 0.707 V vs. 0.7 V, GaAs: 1.21 V vs. 1.2 V.Efectos de la temperaturaLa temperatura puede tener un marcado efecto en las caractersticas de un diodo semiconductorcomo lo demuestran las caractersticas de un diodo de silicio mostradas en la figura 1.19:En la regin de polarizacin en directa las caractersticas de un diodo de silicio se desplazana la izquierda a razn de 2.5 mV por grado centgrado de incremento de temperatura.DIODOSSEMICONDUCTORES18ID (mA)Is0.01 A(100C)(2.5 mV/C) = 0.35 VTemperaturaen descensoTemperaturaen ascenso201510Temperaturaen ascensoTemperaturaen ascenso1 A75C25C125C1 AVD 0.7 V (V)3025540 30 20 10125C25C75CFIG. 1.19Variacin de las caractersticas del diodo de Si con el cambio de temperatura. 37. DIODO 19SEMICONDUCTORUn incremento desde la temperatura ambiente (20C) hasta 100 C (el punto de ebullicindel agua) produce una cada de 80(2.5 mV )200 mV o 0.2 V, lo cual es significativo en unagrfica graduada en dcimas de volts. Una reduccin de la temperatura tiene el efecto inverso,como tambin se muestra en la figura.En la regin de polarizacin en inversa la corriente de saturacin en inversa de un diodo desilicio se duplica por cada 10C de aumento de la temperatura.Con un cambio de 20C a 100C, el nivel de Is se incrementa desde 10 nA hasta un valor de2.56 mA, el cual es un incremento significativo de 256 veces. Continuando hasta 200C se ten-drauna corriente de saturacin en inversa monstruosa de 2.62 mA. En aplicaciones a alta tem-peraturase tendran que buscar por consiguiente diodos con Is a temperatura ambiente de cercade 10 pA, un nivel comnmente disponible en la actualidad, el cual limitara la corriente a 2.62mA. En realidad, es una fortuna que tanto Si como GaAs tengan corrientes de saturacin en in-versarelativamente pequeas a temperatura ambiente. Hay dispositivos de GaAs disponibles quefuncionan muy bien en el intervalo de temperatura de 200C a 200C, y algunos tienen tem-peraturasmximas que se aproximan a 400C. Considere, por un momento, qu tan grande se-rala corriente de saturacin en inversa si iniciramos con un diodo de Ge con una corriente desaturacin de 1 mA y aplicramos el mismo factor de duplicacin.Por ltimo, es importante sealar, de acuerdo con la figura 1.19, que:El voltaje de saturacin en inversa de un diodo semiconductor se incrementar o reducircon la temperatura segn el potencial Zener.Aunque la figura 1.19 revela que el voltaje de ruptura se incrementar con la temperatura, siel voltaje de ruptura inicial es menor que 5 V, en realidad el voltaje de ruptura puede reducirsecon la temperatura. La sensibilidad del potencial Zener a cambios de temperatura se exami-narcon ms detalle en la seccin 1.15.ResumenEn los prrafos anteriores se dijo mucho sobre la construccin de un diodo semiconductor y losmateriales empleados. Se presentaron las caractersticas y las diferencias importantes entre la res-puestade los materiales analizados. Ahora es el momento de comp