REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA · Fig. 25 Modelo lineal por tramos de la característica...

FUNDAMENTO DE ELECTRÓNICA

TEORÍA DE SEMICONDUCTORES

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA

EDUCACIÓN SUPERIOR INSTITUTO UNIVERSITARIO EXPERIMENTAL DE

TECNOLOGÍA DE LA VICTORIA LA VICTORIA… EDO. ARAGUA

Elaborado por: Ing. Lisseth López

Octubre, 2007



DEDICATORIA

El siguiente Texto está especialmente dedicado a:

Todos mis alumnos y a todos aquellos que no lo fueron

quienes de una forma u otra me han enseñado a descubrir mi

vocación de educadora y han contribuido notablemente con mi

mejoramiento profesional, haciendo más sencilla y amena la

noble misión de educar y a la que he dedicado parte de mi

vida.



ÍNDICE GENERAL

CONTENIDO PAG.

Preliminares

Portada i

Dedicatoria ii

Índice General iii

Índice de Figuras vii

CAPÍTULO I. TEORÍA DE SEMICONDUCTORES

1. Semiconductor 2

2. Banda de Energía y Conductividad Eléctrica del Cristal 4

3. Tipos de Semiconductores 6

3.1. Semiconductores Intrínseco 6

3.2. Semiconductores Extrínseco 7

3.2.1. Semiconductores Extrínseco Tipo N 8

3.2.2. Semiconductores Extrínseco Tipo P 9

4. Ley de Acción de Masas 10

5. Ley de Neutralidad de Carga 11

6. Movilidad y Conductividad 11

6.1 Corriente de Arrastre 11

6.2 Corriente de Difusión 14

7.- Relación de Einstein 15

CAPÍTULO II. TEORÍA DE DIODOS

1. El Diodo 17

2. Polarización en Sentido Directo 19

3. Polarización en Sentido Inverso 21



4. Características De Un Diodo En Unión PN 22

5. Representación Simbólica del Diodo 25

6. Resistencias del Diodos 26

6.1. Resistencia Estática 26

6.2. Resistencia Dinámica 26

7. Influencia De La Temperatura Sobre Las Propiedades De La Unión 28

7.1. Influencia de la temperatura sobre la corriente de Saturación S 28

7.2. Influencia de la temperatura sobre la tensión directa a los bornes

de la unión 29

8. Esquema Equivalente del Diodo en Régimen Alterno 30

8.1 Capacidad de Agotamiento o de Transición 30

8.2. Capacidad de Difusión 33

9. Modelos o Aproximaciones del Diodo 33

9.1 Modelo Ideal 34

9.2 Modelo de Caída de Tensión Constante 34

9.3. Modelo Lineal por Tramos 35

10. Parámetros y Especificaciones Eléctricas De Los Diodo 36

11.- Verificación del Estado de un Diodo 39

CAPÍTULO III. TIPOS DE DIODOS

1. Diodo Zener 42

1.1. Construcción de un Diodo zener 44

1.2. Código de Identificación del Zener 46

1.3. Aplicación 47

1.4. Especificaciones del Fabricante 48

2. Diodo Led y Fotodiodo 48

2.1 Diodo Led 48

2.2. Fotodiodo 50

3. Diodo de Barrera o Schottky 52

4. Diodo PIN 54

5. Diodo Varactor o Varicap 56



6. Diodo Túnel 58

7. Diodo de Contacto Puntual 60

CAPÍTULO IV.- APLICACIONES DE LOS DIODOS

1. Rectificador 62

1.1 Rectificador de Media Onda 62

1.2. Rectificador de Onda Completa 64

2. Factor de forma (Ff) e Índice de Ondulación (Fr) 68

2.1. Factor de Forma (Ff) 68

2.2. Índice de Ondulación (Fr) 68

3. Comparación entre los diferentes Rectificadores 68

4. Filtraje 69

4.1. Filtraje con Condensador 69

5. Doblador de Tensión 74

6. Limitador de Tensión 75

6.1. Limitador Serie Positivo 76

6.2. Limitador Serie Negativo 76

6.3. Limitador Paralelo 78

6.4. Limitador Parcial o Polarizado de Un Nivel 79

6.5. Limitador Polarizado de dos Niveles 83

7. El Diodo Zener como Regulador de Tensión 86

8. Circuito Sujetador de Nivel 96

CAPÍTULO V. TEORÍA DEL TRANSISTOR BJT

1. Estructura de un Transistor Bipolar 100

2. Modos de Operación 101

3. Configuraciones Del Transistor 103

3.1. Configuración Base Común 103



3.2. Configuración Emisor Común 105

3.3. Configuración Colector Común 106

4. Curva Característica 107

5. Relación de Corrientes 109

6. Polarización del Transistor 110

6.1. Polarización Fija 110

6.2. Polarización Con Resistencia en el Emisor 113

6.3. Polarización Independiente de β 116

6.4. Polarización con realimentación de Tensión de Colector 122

7. Análisis Gráfica de la Polarización en DC 123

8. El Transistor Como Interruptor 126

BIBLIOGRAFÍA 128

EJERCICIOS PROPUESTOS 129



ÍNDICE DE FIGURAS

FIGURA PAG.

CAPÍTULO I. TEORÍA DE SEMICONDUCTORES

Fig. 1a.- Red Cristalina de Silicio (Si) 3

Fig. 1b.- Red Cristalina de Arseniuro de Galio (AsGa) 3

Fig. 2a.- Cristal de Silicio (Si) antes del aumento de la temperatura 4

Fig. 2b.- Cristal de Silicio (Si) después del aumento de la temperatura 4

Fig. 3 Estructura de las bandas de energía de un Aislante, un Semiconductor

y un Conductor 5

Fig. 4.- Cristal de Silicio contaminado con átomos de Fósforo

8

Fig. 5. Nivel donador o dador introducido por los átomos pentavalentes

9

Fig. 6.- Nivel aceptador o aceptor introducido por los átomos trivalentes

10

Fig. 7.-Movimiento de los huecos debido al movimiento de los electrones 13

CAPÍTULO II. TEORÍA DE DIODOS

Fig. 8. Unión PN 17

Fig. 9. Formación de la región de vaciamiento. 18

Fig. 10 Unión PN en equilibrio 19

Fig. 11 Polarización en Directo de la Unión PN 20

Fig. 12 Circulación de Corriente en la Unión PN 20

Fig. 13.- Polarización en Inverso de la Unión PN 21



Fig. 14.- Aumento de la Región Carga Espacial 22

Fig. 15.- Curva Característica del Diodo 23

Fig. 16.- Curva Característica real del Diodo 24

Fig. 17.- Representación Simbólica y Física del Diodo 25

Fig. 18.- Representación del punto Q sobre la curva característica de Diodo 26

Fig. 19 Resistencia dinámica y Variación del punto Q 28

Fig. 20 Influencia de la temperatura sobre la tensión del diodo 30

Fig. 21Curva Característica de la Capacidad de agotamiento 30

Fig. 22 Variaciones de CT en función de VR para dos diodos Típicos 32

Fig. 23 Curva V vs de un Diodo Ideal 34

Fig. 24 Modelo de caída de voltaje constante de la característica directa del

diodo y la Representación de su circuito equivalente 35

Fig. 25 Modelo lineal por tramos de la característica directa del diodo y

su circuito equivalente 35

Fig.26 Hoja de Especificaciones del Fabricante BAY73 37

Fig.27 Curvas Eléctricas Típicas del Diodo BAY73 38

Fig. 28 Verificación del estado de un diodo con un ohmetro 40

Fig. 29 puntas del multimetro 40

CAPÍTULO III. TIPOS DE DIODOS Fig. 30 Curva Característica del Diodo Zener 43

Fig. 31 Aspecto Físico y Simbología del Diodo Zener 45

Fig. 32 Curva Característica del diodo zener para la primera aproximación 46

Fig. 33 Curva Característica del diodo zener para la segunda aproximación 46

Fig. 34 Símbolo y Aspecto físico del Diodo LED 49

Fig. 35 Simbología y Aspectos físicos de un Fotodiodo 51

Fig. 36 Curva característica / V de un fotodiodo para diferentes intensidades

luminosas 51

Fig. 37 Simbología y Curva Característica del Diodo Schottky 53

Fig.38 Circuito equivalente del diodo PIN en la región Directa e Inversa 56

Fig. 39 Simbología del Diodo PIN 56



Fig.40 Simbología del Diodo Varicap y Circuito equivalente 57

Fig. 41 Curva de Variación de la Capacitancia vs. Tensión Inversa aplicada 58

Fig. 42 Curva Característica del Diodo túnel 59

Fig. 43 Circuito equivalente y simbología del Diodo Túnel 60

CAPÍTULO IV.- APLICACIONES DE LOS DIODOS

Fig. 44 Circuito Rectificador de Media Onda 63

Fig. 45 Señal de Salida de un Circuito Rectificador de Media Onda 63

Fig. 46 Circuito Rectificador Doble Onda con Transformador de Toma Central 64

Fig. 47 Señal de Entrada al Circuito Rectificador Doble Onda con

Transformador de Toma Central 65

Fig. 48 Señal de Salida del Circuito Rectificador Doble Onda con

Transformador de Toma Central 65

Fig. 49 Señal presente en los Diodos D1 y D2 65

Fig. 50 Circuito Rectificador Onda Completa Tipo Puente 66

Fig. 51 Circuito Rectificador Onda Completa Tipo Puente 67

Fig. 52 Circuito Rectificador de Media Onda con Filtro Capacitivo 70

Fig. 53 Señal de Salida de tensión (VO) y Corriente id Circuito

Rectificador Media Onda con Filtro Capacitivo. 70

Fig. 54 Circuito Rectificador Onda Completa con Filtro Capacitivo 71

Fig. 55 Señal de Salida Circuito Rectificador Onda Completa con

Filtro Capacitivo 72

Fig. 56 Método Gráfico para estimar el factor de rizado 72

Fig. 57 Filtro en con resistencia 74

Fig. 58 Circuito Doblador de Tensión 75

Fig. 59 Circuito Limitador Serie 76

Fig. 60 Señal de Entrada y Salida de un Circuito Limitador Serie Positivo 76

Fig. 61 Circuito Limitador Serie Negativo 77

Fig. 62 Señal de Entrada y Salida de un Circuito Limitador Serie Negativo 77

Fig. 63 Circuito Limitador Paralelo (a) Positivo (b) Negativo 78

Fig. 64 Señales de Salida de los Circuito Limitador Paralelo 78



Fig. 65 Circuito Limitador Polarizado de un nivel 79

Fig. 66 Señal de Salida de un Circuito Limitador Polarizado de un Nivel 80





Fig. 71Circuito Limitador Polarizado de un Nivel 82


Fig. 73 Circuito Limitador Polarizado de dos Niveles 83

Fig. 74 Señal de Salida de un Circuito Limitador Polarizado de Dos Niveles 84

Fig. 75 Circuito Limitador Polarizado de dos Niveles Con Diodos Zener 85

Fig. 76 Señal de Salida de un Circuito Limitador Polarizado de Dos Niveles

con diodos Zener 86

Fig. 77 Circuito Regulador de Tensión 86

Fig. 78 Curva Característica del Diodo Zener 87

Fig. 79 Análisis Gráfico de Rs 90

Fig. 80 Circuito Sujetador de Nivel 96

Fig. 81 Señal de Entrada y Salida de un Circuito Sujetador de Nivel 97

CAPÍTULO V. TEORÍA DEL TRANSISTOR BJT

Fig. 82 Estructura de los transistores BJT 101

Fig. 83 Polarización de los transistores BJT 103

Fig. 84 Configuración Base Común 104

Fig. 85 Característica de Entrada y Salida de la Configuración

Base Común NPN 104

Fig. 86 Transistor NPN con el Emisor Abierto 105

Fig. 87 Configuración Emisor Común 106

Fig. 88 Característica de Entrada y Salida de la Configuración

Emisor Común NPN 106

Fig. 89 Configuración Colector Común o Emisor Seguidor 107



Fig. 90 Circuito Con polarización Fija 110

Fig. 91 Circuito De Entrada 111

Fig. 92 Circuito De Salida 111

Fig. 93 Ejemplo de un Circuito Con polarización Fija 112

Fig. 94 Circuito Con polarización con resistencia en el emisor 113

Fig. 95 Circuito de entrada polarización con resistencia en el emisor 114

Fig. 96 Circuito de entrada polarización con resistencia en el emisor 114

Fig. 97 Ejemplo Circuito de entrada polarización con resistencia en el emisor 115

Fig. 98 Circuito de polarización por divisor de Tensión 116

Fig. 99 Circuito de Polarización por Divisor de Tensión malla de Entrada 117

Fig. 100 Circuito de Polarización por Divisor de Tensión Simplificado 118

Fig. 101 Circuito de Polarización por Divisor de Tensión Malla de Salida 119

Fig. 102 Circuito de Polarización con Realimentación de Tensión 122

Fig. 103 Circuito Autopolarizado 123

Fig. 104 Recta de Carga en Continua 124

Fig. 105 Recta de Carga en Continua para las Variaciones de RC y RE 125

Fig. 106 Recta de Carga en Continua para las Variaciones VCC 125

Fig. 107 Recta de Carga en Continua sobre la característica de Salida

del Transistor 126

Fig. 108 El Transistor NPN como Interruptor 127

Fig. 109 Circuito para el accionamiento de un relé 127



CAPÍTULO I TEORÍA DE

SEMICONDUCTORES

FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA


2

CAPÍTULO I


1.- Semiconductor

Entre los materiales conductores, que permiten una circulación generosa de corriente

por presentar una resistencia relativamente baja, y los materiales aislantes, que no

permiten la circulación de corriente, nos encontramos una gama de materiales con

propiedades propias que denominamos semiconductores ellos tienen una

conductividad que varía con la temperatura, pudiendo comportarse como conductores

o como aislantes.

Todos semiconductores se caracterizan porque en su última capa de electrones de su

estructura atómica poseen cuatro (4) electrones (son tetravalentes) llamados

electrones de valencia.

El elemento semiconductor más usado es el Silicio (Si), pero hay otros

semiconductores como el Germanio (Ge) que también son usados en la fabricación

de circuitos. El silicio está presente de manera natural en la arena por lo que se

encuentra con abundancia en la naturaleza. Además, el Si presenta propiedades

mecánicas y eléctricas buenas. Su purificación es relativamente sencilla (llegándose a

Si puro del 99,99999%) y el Si se presta fácilmente a ser oxidado, formándose SiO2 y

constituyendo un aislante que se utiliza en todos los transistores de la tecnología

CMOS. Aunque idéntico comportamiento presentan las combinaciones de elementos

de los grupos II y III con los de los grupos VI y V respectivamente (AsGa, PIn,

AsGaAl, TeCd, SeCd y SCd) de la tabla periódica. De un tiempo a esta parte se ha

comenzado a emplear también el azufre.

En la tabla # 1 se muestra algunos elementos pertenecientes a los grupos II, III, IV, V,

VI de la tabla periódica.

Estos elementos tienen una estructura más estable si comparten electrones, formando

enlaces covalentes, de forma que al compartir estos electrones con átomos vecinos

todos ellos tengan en la última capa ocho electrones, situación que es muy estable.

http://es.wikipedia.org/wiki/Silicio



3

Elemento Grupo Electrones en

la última capa

Cd II A 2 e-

Al, Ga, B, In III A 3 e-

Si, Ge IV A 4 e-

P, As, Sb V A 5 e-

Se, Te, (S) VI A 6 e-

Tabla #1

Esto hace que se forme una malla de átomos que se denomina red cristalina. El

diamante es un ejemplo de este tipo de estructura cristalina formada por átomos de

carbono. El silicio, el germanio y el arseniuro de galio forman redes similares ver

Figuras 1a y 1b.

Un cristal está formado por un conjunto de átomos muy próximos entre sí dispuestos

espacialmente de forma ordenada de acuerdo con un determinado patrón geométrico.

La gran proximidad entre los átomos del cristal hace que los electrones de su última

capa sufran la interacción de los átomos vecinos.

Fig. 1a.- Red Cristalina de Silicio (Si) Fig. 1b.- Red Cristalina de Arseniuro de Galio (AsGa)

Fuente: www.ele.uva.es

En estas condiciones todos los electrones tienen su lugar en la red, así que estos

materiales no permiten la movilidad de electrones y por lo tanto son aislantes.

Un aumento en la temperatura hace que los átomos en un cristal por ejemplo de

silicio vibren dentro de él, a mayor temperatura mayor será la vibración. Con lo que

http://www.ele.uva.es/



4

un electrón se puede liberar de su órbita, lo que deja un hueco, que a su vez atraerá

otro electrón, y así sucesivamente. En la figura 2a se puede observar un cristal de

silicio antes del aumento de la temperatura y en la figura 2b el cristal de silicio

después de un aumento de temperatura donde se produce la creación de el hueco y del

electrón libre por el rompimiento de los enlaces covalentes del cristal. A 0 ºK, todos

los electrones son ligados. A 300 ºK o más, aparecen electrones libres.

(a) (b)

Fig. 2a.- Cristal de Silicio (Si) antes del aumento de la temperatura. Fig. 2b.- Cristal de Silicio (Si)

después del aumento de la temperatura.

Fuente: www.rincondelvago.com

La unión de un electrón libre y un hueco se llama "recombinación", y el tiempo entre

la creación y desaparición de un electrón libre se denomina "tiempo de vida".

2.- Banda de Energía y Conductividad Eléctrica del Cristal

El nivel energético de cada electrones puede estar situado en la "banda de valencia" o

en la "banda de conducción" del cristal. Un electrón que ocupe un nivel dentro de la

banda de valencia está ligado a un átomo del cristal y no puede moverse libremente a

través de él, mientras que si el nivel ocupado pertenece a la banda de conducción, el

electrón puede moverse libremente por todo el cristal, pudiendo formar parte de una

corriente eléctrica.

Entre la banda de valencia y la de conducción existe una "banda prohibida", cuyos

niveles no pueden ser ocupados por ningún electrón del Cristal. La magnitud de ese

http://www.rincondelvago.com/



5

banda prohibida son permite definir otra diferencia entre los semiconductores,

aislante y conductores.

En la figura 3 se puede observar la estructura de los niveles o bandas de energía

según el tipo del material. La magnitud de la banda prohibida (Eg) de algunos

semiconductores son: para el Silicio (Si) es aproximadamente de 1,11 eV, Germanio

(Ge) de 0,67 eV, Arseniuro de Galio (AsGa) de 1,43 eV, Telurio de 0,33 eV, Galena

(SPb) de 0,37 eV, Antimoniuro de Indio (SbIn) de 0,23 eV.

Fig. 3 Estructura de las bandas de energía de un Aislante, un Semiconductor y un Conductor

Fuente: El Autor

Para que la conducción de la electricidad sea posible es necesario que haya electrones

en la capa de conducción, así podemos considerar tres situaciones:

Los conductores, en los que ambas bandas de energía se superponen.

Los aislantes, en los que la diferencia existente entre las bandas de energía,

del orden de 6 eV impide, en condiciones normales el salto de los electrones.

Los semiconductores, en los que el salto de energía es pequeño, del orden de

1 eV, por lo que suministrando energía pueden conducir la electricidad; pero

además, su conductividad puede regularse, puesto que bastará disminuir la

energía aportada para que sea menor el número de electrones que salte a la

Semiconductor Aislante Conductor

Banda de

Conducción

Banda de

Valencia Banda de

Prohibida

Eg = 6eV Eg 1eV

Solapamiento de la Banda de Valencia y

la Banda de conducción

http://es.wikipedia.org/wiki/EV



6

banda de conducción; cosa que no puede hacerse con los metales, cuya

conductividad es constante, o más propiamente, poco variable con la

temperatura.

Es importante notar que la conductividad eléctrica de los semiconductores es

directamente proporcional a la temperatura, y por ello se afirma que su coeficiente

térmico de conductividad es positivo, a diferencia de los metales cuyo coeficiente

térmico de conductividad es negativo.

Estos coeficientes son positivos, al aumentar la temperatura la resistividad de los

metales aumenta o, en forma equivalente, su conductividad disminuye.

Por lo contrario, a temperaturas normales (aprox. 25°C), la conductividad de los

semiconductores aumenta en un 5% por cada grado de incremento en la temperatura.

NOTA: No debe confundirse la resistividad del material con la resistencia del mismo.

La resistividad es una propiedad característica de cada material, mientras que la

resistencia depende de la forma geométrica.

La corriente en los conductores se debe al movimiento de los electrones libres

mientras que en los semiconductores se debe al movimiento de los electrones libre y

los huecos.

3.- Tipos de Semiconductores

3.1 Semiconductores Intrínseco

Son los cristales semiconductores puros. A temperatura ambiente se comporta como

un aislante porque solo tiene unos pocos electrones libres y huecos debidos a la

energía térmica. En ellos, el número de huecos es igual al número de electrones y es

función de la temperatura del cristal.



7

La conductividad en ellos a una temperatura ambiente no suele ser muy alta, y la

cantidad de electrones libres es igual a la cantidad de huecos presente en el cristal

debido al fenómeno de recombinación. Sucede que, a una determinada temperatura,

las velocidades de creación de pares e-h, y de recombinación se igualan, de modo que

la concentración global de electrones y huecos permanece invariable. Siendo n la

concentración de electrones (cargas negativas) y p la concentración de huecos (cargas

positivas), se cumple que:

pnni (1)

Siendo ni la concentración intrínseca del semiconductor, función exclusiva de la

temperatura. Si se somete el cristal a una diferencia de tensión, se producen dos

corrientes eléctricas. Por un lado la debida al movimiento de los electrones libres de

la banda de conducción, y por otro, la debida al desplazamiento de los electrones en

la banda de valencia, que tenderán a saltar a los huecos próximos, originando una

corriente de huecos en la dirección contraria al campo eléctrico cuya velocidad y

magnitud es muy inferior a la de la banda de conducción.

Tk

E

i

g

eTBn**22/3 ** (2)

Donde:

B: Constante del material semiconductor especifico

Eg: Es la magnitud del nivel de energía entre banda

T: Temperatura en grado Kelvin (K)

k : Constante de Boltzmann 86*10-6

eV/ K



8

La constante del material para el Silicio (Si) es 5,23*1015

cm-3

K-3/2

, para el Arseniuro

de Galio (GaAs) es 2,10*1014

cm-3

K-3/2

y para el Germanio (Ge) es de 1,66 cm-3

K-3/2

.

3.2.- Semiconductores Extrínseco

Para aumentar la conductividad en un semiconductor intrínseco se somete al

semiconductor a un proceso de dopado, el cual consiste en agregar de una forma

controlada átomos o impurezas para cambiar sus características eléctricas y así

convertirlo en extrínseco y dependiendo del tipo de impurezas o átomos añadidos

podemos tener dos tipos de semiconductores extrínsecos.

3.2.1.- Semiconductores Extrínseco Tipo N

Es el semiconductor intrínseco que en el proceso de dopado se le han añadido átomos

o impurezas pentavalentes (5 electrones de valencia), entre las podemos que

mencionar Fósforo (P), arsénico (As), Antimonio (Sb), las cuales son llamadas

también impurezas donadoras las cuales añaden un electrón libre a al cristal a

temperatura ambiente ya que los cuatros restantes formaron enlace covalente con los

átomos vecinos del semiconductor. Ellas introducen un nivel donador entre la banda

de valencia y la banda de conducción pero mas cercano a esta última.

En ellos a una temperatura cualquiera existirán más electrones que huecos, los cuales

serán llamados portadores mayoritarios a los electrones y portadores minoritarios a

los huecos en este caso. En la figura 4 se puede ver un cristal de silicio al cual se le a

añadido un átomo de fósforo (P) el cual genera un electrón libre.



9

Fig. 4.- Cristal de Silicio contaminado con átomos de Fósforo (Liberación de un electrón) y átomos de

Boro (Absorción de un electrón). Fuente: www.acapomil.cl

En la figura 5 se muestra el nuevo nivel de energía de un semiconductor con átomos

donadores (por ejemplo P en Si), el nivel dador se encuentra justo por debajo de la

banda de conducción. Los electrones (●) son promocionados fácilmente a la banda de

conducción. El semiconductor es de tipo-n.

Fig. 5. Nivel donador o dador introducido por los átomos pentavalentes

http://www.acapomil.cl/



10

Fuente: www.cpi.uc.edu.ve

3.2.2.- Semiconductores Extrínseco Tipo P

Es el semiconductor intrínseco que en el proceso de dopado se le han añadido átomos

o impurezas trivalentes (3 electrones de valencia), entre las podemos que mencionar

Boro (B), Indio (In), Aluminio (Al), Galio (Ga) las cuales son llamadas también

impurezas aceptadoras las cuales generan un hueco en el cristal a temperatura

ambiente ya que tres de sus electrones de valencia forman enlace covalente con los

átomos vecinos del semiconductor y queda un vacío en un de los enlaces covalentes o

simplemente no se llega a formar el enlace. Ellas introducen un nivel aceptador entre

la banda de valencia y la banda de conducción pero más cercano a la primera. En

ellos a una temperatura cualquiera existirán más huecos que electrones, los cuales

serán llamados portadores mayoritarios a los huecos y portadores minoritarios a los

electrones en este caso, contrario a los semiconductores extrínsecos tipo N. En la

figura 4 se puede ver un cristal de silicio al cual se le ha añadido un átomo de boro

(B) el cual genera un hueco. En la figura 6 se muestra el nuevo nivel de energía

añadido en un semiconductor con átomos aceptores (por ejemplo B en Si), el nivel

aceptor se encuentra justo por encima de la banda de valencia. Los electrones son

promovidos fácilmente al nivel aceptor dejando agujeros positivos (○) en la banda de

valencia. El semiconductor es de tipo-p.

http://www.cpi.uc.edu.ve/



11

Fig. 6.- Nivel aceptador o aceptor introducido por los átomos trivalentes

Fuente: www.cpi.uc.edu.ve

4.- Ley de Acción de Masas

Esta ahora hemos observado que, al añadir impurezas de tipo n, disminuye el número

de huecos. De forma similar ocurre al dopar con impurezas tipo p, disminuye la

concentración de electrones libres a un valor inferior a la del semiconductor

intrínseco, en condiciones de equilibrio térmico, el producto de la concentración de

las cargas positivas y negativas libres es una constante independiente de la cantidad

de átomo donador o aceptador. Esta ecuación se denomina Ley de Acción de Masas y

viene dada por:

2* inpn (3)

5.- Ley de Neutralidad de Carga

En todo material semiconductor en circuito abierto se debe cumplir que la suma de

las cargas positivas debe ser igual a la suma de las cargas negativas. Así la

concentración de cargas positivas esta constituida por la suma de los iones positivos

ND y los huecos p, ND + p. De la misma manera la concentración de cargas negativas

esta constituida por la suma de los iones negativos NA y los electrones n, NA + n

http://www.cpi.uc.edu.ve/



12

nNpN AD (4)

Cuando tenemos un material tipo n, que tenga NA = 0. El número de electrones será

mucho mayor que el número de huecos por lo tanto se puede aproximar la ecuación

anterior a:

DNn Dn Nn (5)

Por lo tanto, lo portadores minoritarios, los huecos se calculan utilizando la ley de

acción de masa:

D

in

N

np

2

(6)

De igual manera, en un semiconductor del tipo p:

2* ipp npn Ap Np A

ip

N

nn

2

(7)

6.- Movilidad y Conductividad

En los semiconductores la corriente eléctrica es el resultado del movimiento de ambas

cargas, es decir, de los electrones libre y los huecos, esto esta asociado a dos

fenómenos físicos.

Corriente de Arrastre o Desplazamiento (fuga)

Corriente de Difusión.

6.1 Corriente de Arrastre

Este primer fenómeno se origina por el movimiento de las cargas cuando se aplica un

campo eléctrico al material semiconductor. Cuando las cargas son aceleradas por el

campo eléctrico se producen que aumentan la energía térmica la cual va a fomentar el

movimiento de las cargas en forma no aleatoria. Y los portadores e carga se ven

afectado e la siguiente manera:

Electrones libres: La fuerza que el campo eléctrico ejerce sobre los electrones

provocará el movimiento de estos, en sentido opuesto al del campo eléctrico aplicado.

De este modo se originará una corriente eléctrica. La densidad de la corriente



13

eléctrica (número de cargas que atraviesan la unidad de superficie en la unidad de

tiempo) dependerá de la fuerza que actúa (q*E), del número de portadores existentes

y de la movilidad con que estos se mueven por la red, es decir:

EqnJ nn *** (8)

Donde:

nJ : Densidad de corriente de los electrones

n : Movilidad de los electrones en el material

n : Concentración de los electrones

q : Carga eléctrica (1,6 * 10-19

C)

E : Campo eléctrico aplicado.

La movilidad n es característica del material, y está relacionada con la capacidad de

movimiento del electrón a través de la red cristalina.

Huecos: El campo eléctrico aplicado ejerce también una fuerza sobre los electrones

asociados a los enlaces covalentes. Esa fuerza puede provocar que un electrón

perteneciente a un enlace cercano a la posición del hueco salte a ese espacio. Así, el

hueco se desplaza una posición en el sentido del campo eléctrico. Si este fenómeno se

repite, el hueco continuará desplazándose. Aunque este movimiento se produce por

los saltos de electrones, podemos suponer que es el hueco el que se está moviendo

por los enlaces.

Fig. 7.-Movimiento de los huecos debido al movimiento de los electrones



14

Fuente: www.info-ab.uclm.es

La carga neta del hueco vacante es positiva y por lo tanto, se puede pensar en el

hueco como una carga positiva moviéndose en la dirección del campo eléctrico.

Obsérvese en la figura 7 que los electrones individuales de enlace que se involucran

en el llenado de los espacios vacantes por la propagación del hueco, no muestran

movimiento continuo a gran escala. Cada uno de estos electrones se mueve

únicamente una vez durante el proceso migratorio. En contraste, un electrón libre se

mueve de forma continua en la dirección opuesta al campo eléctrico.

Análogamente al caso de los electrones libres, la densidad de corriente de huecos

viene dada por:

EqpJ pp *** (9)

Donde:

pJ : Densidad de corriente de los huecos

p : Movilidad de los huecos en el material

p : Concentración de huecos


C)

E : Campo eléctrico aplicado.

La movilidad p es característica del material, y está relacionada con la capacidad de

movimiento del hueco a través de los enlaces de la red cristalina. La "facilidad" de

desplazamiento de los huecos es inferior a la de los electrones.

Considerando ahora el caso de un semiconductor que disponga de huecos y

electrones, al que sometemos a la acción de un campo eléctrico. Hemos visto cómo

los electrones se mueven en el sentido opuesto a la del campo eléctrico, mientras que

los huecos lo harán según el campo. El resultado es un flujo neto de cargas positivas

en el sentido indicado por el campo, o bien un flujo neto de cargas negativas en

sentido contrario. En definitiva, la densidad de corriente total es la suma de las

densidades de corriente de electrones y de huecos:

http://www.info-ab.uclm.es/



15

pnTotalArrastre JJJ (10)

6.2 Corriente de difusión

En segundo lugar tenemos el fenómeno de difusión; por regla las cargas electrones y

huecos, se mueven en sentido del gradiente de concentración, van de regiones de

mayor concentración a regiones de menor concentración para favorecer el equilibrio

de las cargas; este movimiento genera una corriente proporcional al gradiente de

concentración.

La difusión no depende del valor absoluto de la concentración de portadores, sino

solamente de su derivada espacial, es decir, de su gradiente la cual obedece Ley Fick

es la relación de proporcionalidad entre la densidad de corriente y el gradiente de

concentración de portadores de carga debido al fenómeno de la difusión.

nqDJ

** (11)

Donde J es la densidad de corriente (en A/m2), D es la difusividad (en m

2/s), q la

carga de los portadores (en C) y n (o p ) el gradiente de concentración de

electrones (o huecos) (en electrones o huecos /m4).

En los metales, la difusión no es un proceso de importancia, porque no existe un

mecanismo mediante el cual se pueda generar un gradiente de densidad. Dado que en

un metal únicamente hay portadores negativos de carga, cualquier gradiente de

portadores que se pudiera formar desequilibraría la neutralidad de la carga. El campo

eléctrico resultante crearía una corriente de arrastre, que de manera instantánea

anularía el gradiente antes de que pudiera darse la difusión. Por el contrario, en un

semiconductor hay portadores positivos y negativos de carga, por lo que es posible la

existencia de un gradiente de densidad de huecos y de electrones, mientras se

mantiene la neutralidad de la carga.

En un semiconductor, los componentes de la densidad de corriente de difusión

pueden expresarse de forma unidimensional mediante la ecuación:

http://personales.upv.es/jquiles/prffi/corriente/ayuda/hlpdensidadcorriente.htm

http://personales.upv.es/jquiles/prffi/campos/ayuda/hlpgradiente.htm

http://personales.upv.es/jquiles/prffi/semi/ayuda/hlpdifusion.htm

http://personales.upv.es/jquiles/prffi/corriente/ayuda/hlpdensidadcorriente.htm

http://personales.upv.es/jquiles/prffi/semi/ayuda/hlpdifusividad.htm



16

dx

dpDq

dx

dnDqJ pnTotalDifusión ****_ (12)

El segundo término de la expresión tiene signo negativo porque la pendiente negativa

de los huecos da lugar a una corriente negativa de los huecos.

Donde:

DifusiónJ : Densidad de Difusión total

pD : Difusividad de los huecos

nD : Difusividad de los electrones

n : Concentración de electrones

p : Concentración de huecos


C)

7.- Relación de Einstein

Establece la relación entre la constante de difusión (difusividad) y la movilidad de

cada portador ya que ambas son fenómenos estadísticos termodinámicas y no son

independientes. Esta relación viene dada por la ecuación de Einstein

T

p

p

n

n VDD

(12)

Donde TV es el “Potencial equivalente de Temperatura”, definido por:

q

TkVT

* (13)

k : Constante de Boltzmann (1,38*10-23

J/ K); T: Temperatura en Kelvin; q: Carga

del electrón (1,6*10-19

C)


TEORÍA DE DIODOS

CAPÍTULO II

TEORÍA DE DIODOS


TEORÍA DE DIODOS 18

CAPÍTULO II

TEORÍA DE DIODOS

1.- El Diodo

Un diodo no es más que la unión de un semiconductor tipo P con un semiconductor

tipo N a la que se le han añadido 2 terminales uno en la parte p y otro en la parte n,

para poder acoplarse a un circuito. En la figura 8 se puede observar una

representación idealizada de la unión PN.

Fig. 8.- Unión PN

Fuente: El autor

Es decir que el semiconductor de la región P tiene impurezas de tipo aceptadora y de

concentración NA y la región N tiene impurezas de tipo donadora ND. A la

temperatura ordinaria esas impurezas son ionizadas. Una impureza aceptadora NA da

un hueco libre móvil y una impureza donadora ND da un electrón libre móvil.

Después esas impurezas forman iones cargados, fijos en la red, iones negativos en la

región P e iones positivos en la región N respecto a la característica de la neutralidad

de los semiconductores antes del movimiento de los portadores.

Cuando los trozos de semiconductores entran en contacto, comienza a actuar los

mecanismos de difusión tanto en los electrones del semiconductor N como en los

Hueco

Electrón

Unión

Ion Aceptador Ion Donador

Tipo “p” Tipo “n”



huecos del semiconductor P. El mecanismo de difusión actúa de modo similar al

comportamiento de un gas.

Por Ejemplo, los huecos del semiconductor P, cuando se ven unidos a un trozo de

semiconductor en el que la presencia de huecos es casi nula (Semiconductor N),

comienzan a desplazarse hacia el semiconductor tipo N.

Ahora bien, tal como lo haría un gas, los huecos que se encuentran en la frontera con

el semiconductor N comienzan a desplazarse hacia la zona del semiconductor tipo n,

con el propósito de equilibrar la concentración de huecos a lo largo de toda la unión

pn.

Ocurre exactamente lo mismo con los electrones del semiconductor N que se

encuentran en la frontera con semiconductor tipo P donde apenas hay unos cuantos

electrones, comienzan a desplazarse hacia la zona del semiconductor tipo P.

¿Que ocurriría si los huecos de la zona P se dirigen a la zona N y los electrones de la

zona N se dirigen a la zona P?

Como los electrones se dirigen a un sitio con muchos huecos, se recombinan con los

huecos, y como los huecos se dirigen a un sitio con muchos electrones, también se

recombinan con los electrones, esto conlleva que en la zona próxima a la unión se

produzca un vaciamiento de portadores libres (electrones y huecos), quedando por lo

tanto en presencia de los iones de los semiconductores, cargada positivamente en el

semiconductor N y negativamente en el P. Ahora bien, conformé se va formando esa

región de carga espacial o también conocida como región de agotamiento, entorno a

la unión, se va creando un campo eléctrico

E en dicha región de carga, y dirigido de

la parte positiva a la negativa como se puede observar en la figura 9.

Tipo

“p” Tipo

“n” Hueco

Hueco

Neutro

Electrón

Electrón

Neutro

E

Ion Positivo Ion Negativo



Fig. 9.- Formación de la región de vaciamiento. Fuente: El Autor

En principio, los electrones y los huecos seguirán difundiéndose, pero en el momento

en que forma el campo eléctrico este se opone al movimiento de electrones de la zona

N a la P y se opone al movimiento de huecos de la zona P a la N. Por lo tanto hay,

una doble tendencia que intenta mover a los electrones y a los huecos: la difusión y el

campo eléctrico que se generan en la región de carga espacial.

Al principio, la difusión es suficiente para vencer al campo eléctrico, pero, al ir

creciendo la región de carga espacial, el campo también crece, y cada vez se opone

con más fuerza a la difusión. Pero llegará el momento en que el campo eléctrico sea

lo suficientemente grande como para detener el flujo de los electrones y huecos

debido a la difusión. Entonces se habrá llegado a una situación de equilibrio, y habrá

cesado el flujo de carga.

Fig. 10.- Unión PN en equilibrio. Fuente El Autor

Como se ha dicho anteriormente la unión PN conforma un diodo. Ahora queda

añadirle 2 terminales externos para ver como se comporta la unión PN cuando se le

aplica una determinada tensión entre la parte p y su parte n.

2.- Polarización en Sentido Directo.


Neutro Neutro

E

Región de Carga Espacial



Supongamos que le aplicamos una tensión positiva VD entre la parte p y n como

muestra la figura 11.

Fig. 11.- Polarización en Directo de la unión PN

Fuente: El Autor

El hecho de aplicar esa tensión VD hace que se forme un campo eléctrico

DE que

atraviesa toda la unión pn, y cuyo sentido es de la zona p a la zona n, ese campo se

superpone en sentido opuesto al campo eléctrico que había en la región de carga

espacial el cual disminuirá, provocando que se reanude la difusión y se generara una

corriente eléctrica en el sentido de p a n, debida al flujo de huecos hacia la zona n y el

flujo de electrones hacia la zona p. En tal situación la región de carga espacial habrá

disminuido. Ver figura 12.


V

D

DE

E

Tipo

“p” Tipo

“n”

VD

DE

E

Hueco Electrón



Fig. 12.- Circulación de Corriente en la Unión PN

Fuente: El Autor

La corriente es debida en su mayor parte al movimiento de los portadores

mayoritarios tanto de los huecos como de los electrones.

3.- Polarización en Sentido Inverso

Supongamos que le aplicamos una tensión positiva VD entre la parte n y p como

muestra la figura 13.

Fig. 13.- Polarización en Inverso de la Unión PN

Fuente: El Autor

Al aplicar más tensión a la parte N que a la parte P se genera un campo eléctrico

DE dirigido de la zona N a la zona P, que se superpondrá al campo de la región de

carga espacial, y, al ser del mismo sentido, dará como resultado que el campo

eléctrico

E de la región de carga aumente; al ser el campo el elemento que se opone

a la difusión, entonces, al aumentar imposibilitaría aun más la difusión. El resultado

es que, al igual que en el equilibrio, no circulara corriente a través de la unión, pero


V

D

DE

E



esta vez habrá aumentado la región de carga espacial. Como se puede observar en la

figura 14.

Fig. 14.- Aumento de la Región Carga Espacial

Fuente: El Autor

En la polarización Inversa se dice que no hay circulación de corriente significativa a

través de la unión pero en realidad existe una pequeñísima corriente eléctrica que es

debida a los portadores minoritarios y fluye de la zona N a la zona P la cual recibe el

nombre de corriente inversa de saturación.

4.- Características De Un Diodo En Unión PN

Matemáticamente, la relación existente entre la tensión directa VD que soporta la

unión y la corriente que fluye de la zona P a la zona N viene dada por la siguiente

expresión:

E

V

D

DE

Tipo

“p” Tipo

“n”



)1( T

D

V

V

S e (14)

Esta es la expresión (VD) de una unión ideal. En una unión real, es similar pero no

del todo idéntica.

Donde:

: Es la intensidad de corriente que atraviesa el diodo.

VD: Es diferencia de tensión en los extremo del diodo

S: Es la intensidad de corriente de saturación (Es decir valores negativos de VD)

VT : Es una Constante que varia con la temperatura conocido como “Voltaje

Térmico” o “Potencial equivalente de Temperatura” y que para una temperatura de

300K tiene un valor de:

mVVVT 9,250259,0

La gráfica de esta relación tensión corriente es evidente:

Fig. 15.- Curva Característica del Diodo

Fuente: El Autor.



Si a la unión PN se le aplica una tensión inversa muy grande, entonces por ella

circulará una corriente inversa considerable, debida a dos mecanismos.

Avalancha (Diodos Poco Dopados):

Si la tensión inversa es muy grande, entonces el campo eléctrico que soporta la

unión también lo es.

Como ese campo atraviesa toda la unión, es capaz de captar tanto electrones

minoritarios de la zona P como huecos de la zona N, y acelerarlos mucho, de tal

modo que, tan grande es su energía cinética, que al colisionar con los enlaces de

la red cristalina, se llevan por delante a otros tantos electrones ( es decir, rompen

los enlaces, liberándose electrones), que, por el mismo mecanismo, pueden seguir

rompiendo mas enlaces y en consecuencia generan al final una gran cantidad de

electrones en movimientos que dan lugar a la corriente eléctrica.

Efecto Zener ( Diodos muy Dopados):

El efecto zener se basa en la aplicación de tensiones inversas que originan fuertes

campos eléctricos que producen la rotura de los enlaces covalentes dejando así

electrones libres capaces de establecer la conducción y no requiere la aceleración

de un portador de carga (huecos o electrones) debida al campo. El efecto zener es

reversible y así no es destructible cuando se limita la corriente a un valor no

demasiado elevado para que no se funda la unión.

De ese modo, la grafica real de la corriente que circula por la unión en sentido de

P hacia N en función de la

tensión directa será:



Fig. 16.- Curva Característica real del Diodo

Fuente: El Autor.

Donde:

Vγ: Tensión umbral.

La tensión umbral (también llamada barrera de potencial) de polarización directa

coincide en valor con la tensión de la zona de carga espacial del diodo no polarizado.

Imax: Corriente máxima.

Es la intensidad de corriente máxima que puede conducir el diodo sin fundirse por el

efecto Joule.

Is: Corriente Inversa de Saturación

Es la pequeña intensidad de corriente que se establece al polarizar inversamente el

diodo por la formación de pares electrón-hueco debido a la temperatura, admitiéndose

que se duplica por cada incremento de 10º en la temperatura.

Vr: Tensión de ruptura.

Es la tensión inversa máxima que el diodo puede soportar antes de darse el efecto

avalancha.

5.- Representación Simbólica del Diodo.

Como se dijo anteriormente un diodo no es más que una unión PN a la que se le

añaden 2 terminales externos para conectarse a un circuito, en la figura 17 se puede

observar la representación simbólica y la física de un diodo normal (De Propósito

General o Rectificador) con son 2 terminales Ánodo (Positivo) y Cátodo (Negativo).



Fig. 17.- Representación Simbólica y Física del Diodo

6.- Resistencias del Diodos

Cuando el punto de operación de un diodo se mueve desde una región a otra, la

resistencia del diodo también cambia debido a la forma no lineal de la curva

característica, si se analiza un diodo trabajando en régimen de continua o si está

trabajando en pequeña señal, lo cual significa que se aplica una señal alterna montada

sobre un nivel de continua. Se puede hablar de 2 tipos de resistencia a saber:

Resistencia Estática.

Resistencia Dinámica.

6.1.- Resistencia Estática.

Se obtiene al aplicar voltaje directo, el punto de operación no cambia con el tiempo,

es decir la resistencia estática de un diodo es independiente de la característica en la

región entorne al punto de interés solo depende del Voltaje y la corriente en el punto

de polarización (Q). Este punto corresponde a una tensión de polarización que por un

valor determinado da una corriente constante en régimen continuo.

d

dD

I

VR



Fig. 18.- Representación del punto Q sobre la curva característica de Diodo

6.2.- Resistencia Dinámica

La resistencia del diodo cambia con la corriente que le atraviese, por lo tanto se

define una resistencia en cada punto de la característica por la expresión:

Dr Se llama resistencia o dinámica de la unión, que corresponde a la resistencia

interna del diodo.

Gráficamente la resistencia dinámica Dr es un punto de la característica y se mide por

la pendiente de la recta tangente en ese punto.

Teóricamente de la ecuación )1( T

D

V

V

S e

T

D

T

S

D V

Ve

VI

dV

dI

r

11

Pero en la polarización directa

T

V

V

SV

I

dV

dIe T

D

I

Vr T

D

La relación anterior de la expresión de la resistencia de unión correspondiente a la

corriente que la atraviesa es decir, que fija el punto sobre la curva característica (V)

dI

dVrD



llamado punto de polarización. La resistencia diferencial Dr cambia el punto de

polarización sobre la curva característica.

A la temperatura ambiente:

Dr = 25,9 Ω cuando = 1mA

Dr = 2,59 Ω cuando = 10mA

Dr = 2,59KΩ cuando = 10µA

La resistencia diferencial o dinámica dI

dVrD se puede determinar gráficamente por

la medición de la pendiente de la tangente a la curva característica en el punto de

polarización. Esa pendiente da Dr

1 .

Experimentalmente se puede también notar la resistencia dinámica del diodo Dr

como la razón de una pequeña variación de voltaje V y de la variación

correspondiente de la intensidad .

I

VrD

Prácticamente se toma una pequeña variación de la alrededor del punto de

polarización y se nota la variación correspondiente del V. Esas variaciones deben

ser pequeñas porque la característica se aproxima a una recta y eso es exacto sobre un

pequeño intervalo alrededor de .



Fig. 19 Resistencia dinámica y Variación del punto Q

7.- Influencia De La Temperatura Sobre Las Propiedades De La Unión

Los semiconductores dependen mucho del efecto de la temperatura. En el caso de los

diodos la temperatura cambia:

A la corriente directa constante, el valor de la tensión a los bornes del diodo.

A la tensión inversa constante, el valor de la corriente inversa de saturación S

Esos efectos se denominan “Derivas Térmicas”.

7.1.- Influencia de la temperatura sobre la corriente de Saturación S

La corriente inversa de la unión viene del flujo de los portadores minoritarios en la

unión. Es decir que la variación de S en función de la temperatura sigue la ley de

variación de la generación de los portadores en función de la temperatura.



Tk

E

S

g

eTBI*3 **

El término KT

Eg

e

de la ecuación anterior, cambia mucho más que T3 alrededor de la

temperatura ambiente (300 K).

)(

0101)()(

TTK

SSieTITI

Donde ki= 0,072/C= 7,2%/C, resulta

10/)(

01012)()(

TT

SS TITI

, (e0,72

2)

“S se duplica aproximadamente cada 10 C de aumento de T”

La corriente inversa de los diodos de Si es menor que la corriente inversa para los

diodos Ge. Esta corriente aumenta rápidamente cuando aumenta la temperatura.

7.2.- Influencia de la temperatura sobre la tensión directa a los bornes de la

unión.

De manera general la tensión a los bornes de un diodo de unión PN de Si o Ge

polarizada a corriente constante, disminuye cuando ambiente aumenta de 1C.

)()()( 1212 TTkTVTV vDD

TkV vD

T1, T2 Temperatura

Kv coeficiente de temperatura V/C (usado en termómetros)

-2,5 mV/C Germanio

-2,0 mV/C Silicio

-1,5 mV/C Schottky



Fig. 20 Influencia de la temperatura sobre la tensión del diodo.

8.- Esquema Equivalente del Diodo en Régimen Alterno.

Capacidad de agotamiento o Transición.

Capacidad de Difusión.

8.1.- Capacidad de Agotamiento o de Transición

Del comportamiento de la unión PN en la región inversa observamos la analogía entre

la capa de agotamiento (o deplexión) y un condensador. A medida que cambia el

voltaje en paralelo con la unión PN, la carga almacenada en la capa de agotamiento

cambia de conformidad. En la figura 21 se muestra una curva característica típica de

carga versus el voltaje externo aplicado de una unión PN.

Fig. 21Curva Característica de la Capacidad de agotamiento

Cuando el dispositivo se polariza en inverso y la variación de la señal alrededor del

punto de polarización es pequeña como se ilustra se puede usar una aproximación de

capacitancia lineal. Desde esta aproximación a pequeña señal, la capacidad de

agotamiento o transición es simplemente la pendiente de la curva qJ versus VR en el

punto Q de polarización.



Fácilmente derivando se puede hallar una expresión para Cj. Si tratamos la capa de

agotamiento como un condensador de placas planas paralelas obtenemos una

expresión idéntica para Cj.

La expresión resultante para Cj se puede escribir en una forma conveniente

Siendo Cjo el valor de Cj obtenido para voltaje aplicado cero VR = VQ = 0

El análisis precedente y la expresión para Cj se aplican para uniones en las que la

concentración de portadores se hace cambiar abruptamente en la frontera de la unión.

Una fórmula más general para Cj es

Donde m es una constante cuyo valor depende de la manera en que cambia la

concentración del lado P al lado N de la unión. Se denomina coeficiente de

distribución, y su valor es de ⅓ a ½. También se conoce Cj = CT.

Para resumir, a medida que un voltaje de polarización inversa se aplica a una unión

PN, ocurre un transitorio durante el que la capacitancia de agotamiento se carga al

nuevo voltaje de polarización. Una vez que gradualmente desaparezca el transitorio,

la corriente inversa de estado estable es simplemente S. En realidad, corrientes de



hasta unos pocos nanoamperes (10-9

A) circulan en dirección inversa, en dispositivos

para los que S es del orden 10-15

A. Esta gran diferencia se debe a fuga y otros efectos.

Además, la corriente inversa depende en cierta medida de la magnitud del voltaje

inverso, contrario al modelo teórico, que expresa que ≅ S independiente del valor

del voltaje inverso aplicado. No obstante lo anterior, debido a que intervienen

corrientes muy bajas, por lo general no nos interesamos en los detalles de la curva

característica i-v del diodo en la dirección inversa.

En la Figura 22 se observa la variación de CT en función de VR para dos diodos

típicos.

Fig. 22 Variaciones de CT en función de VR para dos diodos Típicos

Se observa de la figura 22 que cuanto mayor sea la tensión inversa, mayor es el ancho

Wagot de la región de agotamiento o de carga espacial, y como consecuencia, menor la

capacidad Cj.



De manera análoga, si aumenta la tensión directa, Wagot disminuye y Cj aumenta. En

ciertos circuitos se utiliza este efecto de la variación de la capacidad con la tensión de

una unión PN polarizada inversamente.

8.2.-Capacidad de Difusión

De la descripción de la operación de la unión PN en la región de sentido directo

observamos que, en estado estable, cierta cantidad de exceso de carga de portadores

minoritarios se almacena en la mayor parte de cada una de las regiones P y N con

carga neutra. Si cambia la tensión entre terminales, este cambio finalizará antes que

se alcance un nuevo estado estable. Este fenómeno de carga y almacenamiento da

lugar a otro efecto capacitivo, muy diferente del que se debe al almacenamiento de

carga en la región de agotamiento.

Para pequeñas variaciones de carga situadas alrededor de un punto de polarización,

podemos definir la capacitancia de difusión a pequeña señal Cd como:

Y podemos demostrar que

Donde es la corriente del diodo en el punto de polarización. Nótese que Cd es

directamente proporcional a la corriente del diodo y es, por lo tanto, tan pequeña

que es despreciable cuando el diodo se polariza inversamente. Nótese también que

para mantener una Cd pequeña, el tiempo de tránsito T debe hacerse pequeño, lo cual

es un requisito importante para diodos destinados para operación a alta velocidad o

alta frecuencia.

9.- Modelos o Aproximaciones del Diodo.



Modelo Ideal

Modelo de caída de voltaje constante

Modelo Lineal por tramos

9.1.- Modelo Ideal

Un modelo útil para una gran variedad de instancias de análisis es el “ideal”, que

describe al diodo como una válvula unidireccional, esto es, como un conductor

perfecto cuando es polarizado directamente (positivo en el ánodo, negativo en el

cátodo), y como un aislador perfecto cuando es polarizado negativamente.

La figura 23 muestra la grafica el modelo ideal.

Fig. 23 Curva V vs de un Diodo Ideal

Si D es positiva, VD es cero, y se dice que el diodo está en estado On (encendido).

Si VD es negativo, D es cero, y se dice que el diodo está en estado Off (apagado).

El modelo ideal se puede utilizar si el contexto del circuito se puede presumir que los

voltajes serán de magnitud suficiente para asegurar uno u otro estado de operación de

los diodos, y si, frente a esos niveles de voltaje y corriente, los voltajes de conducción

y las corrientes inversas resultan despreciables. También resulta muy útil el modelo

ideal si lo que se requiere es la comprensión del funcionamiento de un circuito

(cualitativo) más que un análisis exacto (cuantitativo).



En este modelo se sustituyen o se reemplazan en el circuito el símbolo de diodo por

cortocircuitos (los supuestos en estado On) y por circuitos abiertos (los supuestos en

estado Off).

9.2.- Modelo de Caída de Tensión Constante

En este modelo no solo se sustituyen o se reemplazan en el circuito el símbolo de

diodo por cortocircuitos los que están en estado On y por circuitos abiertos los que

están en estado Off, sino que se lo agrega una fuente de tensión en serie al diodo al

diodo ideal, el valor de la fuente es la tensión umbral del diodo. En la figura 24 se

puede observar la curva característica V vs de diodo bajo usando esta aproximación

o modelo.

Fig. 24 Modelo de caída de voltaje constante de la característica directa del diodo y la

Representación de su circuito equivalente.

9.3.- Modelo Lineal por Tramos

Algunas aplicaciones cuyas solución requiere de mayor precisión obligan a mejorar el

modelo anterior, haciendo consideración tanto del voltaje de umbral (VD0) (diferente

de 0[V]) como del carácter finito de la pendiente de la curva V-.



Fig. 25 Modelo lineal por tramos de la característica directa del diodo y su circuito equivalente.

rD = 20 Ω; D = 0, VD ≤VD0 ; D = (VD – VD0)/rD ; Para VD ≥ VD0

rD: Resistencia interna del diodo válida tanto para condiciones estáticas como

dinámicas

10.- Parámetros y Especificaciones Eléctricas De Los Diodo

La construcción de un diodo determina la cantidad de corriente que es capaz de

manejar, la cantidad de potencia que puede disipar y la tensión inversa pico que puede

soportar sin dañarse. A continuación se lista los parámetros principales que se

encuentran en la hoja de especificaciones del fabricante de un diodo rectificador:

1. Tipo de dispositivo con el número genérico de los números del fabricante.

2. Tensión de pico Inverso (PIV). Este valor es igual al máximo valor que el

diodo puede tolerar cuando se polariza en inversa.

3. Máxima corriente inversa en PIV (R) (a temperatura y corriente

especificadas)

4. Máxima corriente de cd en directo (f). Este valor es igual a la máxima

corriente que puede circular por el diodo sin dañarlo cuando éste se encuentra

en el estado de conducción.

5. Corriente promedio de media onda rectificada en directo (o).



6. Máxima temperatura de la unión.

7. Capacitancia máxima (c).

8. Disipación de Potencia.

9. Curvas de degradación de corriente.

10. Curvas características para cambio en temperatura de tal forma que el

dispositivo se pueda estimar para altas temperaturas.



Fig.26 Hoja de Especificaciones del Fabricante BAY73



Fig.27 Curvas Eléctricas Típicas del Diodo BAY73



11.- Verificación del Estado de un Diodo

Debemos recordar que los diodos son componentes que conducen la corriente en un

solo sentido, teniendo en cuenta esto, se pueden probar con un multímetro en la

posición de "óhmetro" ya que para hacer la prueba de resistores, por él circula una

pequeña corriente que suministra el propio instrumento. En otras palabras, el

multímetro como óhmetro no es más que un microamperímetro en serie con una

batería y una resistencia limitadora.

Cuando el terminal positivo de la batería del multímetro se conecta en serie con el

ánodo del diodo bajo ensayo y el otro terminal del instrumento se conecta al cátodo,

la indicación debe mostrar una baja resistencia, mayor deflexión se conseguirá cuanto

más grande sea el rango, según se indica en la figura 28a.

En inversa el instrumento causará alta resistencia. En teoría la resistencia inversa

debería ser infinita, con lo cual la aguja del multímetro no se debería mover, como lo

sugiere la figura 28b, pero en algunos diodos, especialmente los de germanio, cuando

se los mide en rangos superiores a R x 100 en sentido inverso, provocan una

deflexión notable llegando hasta un tercio de la escala, lo cual podría desorientar a los

principiantes creyendo que el diodo está defectuoso cuando en realidad está en

buenas condiciones. Por lo tanto, para evitar confusiones la prueba de diodos debe

realizarse en el rango más bajo del óhmetro tal que al estar polarizado en directa la

aguja deflexione indicando baja resistencia y cuando se lo polariza en inversa la aguja

del instrumento casi no se mueva, lo que indicará resistencia muy elevada. Si se dan

estas dos condiciones, entonces el diodo está en buen estado.

Si la resistencia es baja en ambas mediciones, significa que el diodo está en

cortocircuito, en cambio si ambas lecturas indican muy alta resistencia, es indicio de

que el diodo está abierto. En ambos casos se debe desechar el componente.

La prueba es válida para la mayoría de los multímetros analógicos en los cuales el

negativo del "multímetro" corresponde al terminal positivo de la batería interna,

cuando el multímetro funciona como óhmetro, esto se ejemplifica en la figura 29



El método aplicado es igualmente válido para todos los diodos sin incluir los

rectificadores de alta tensión empleados en televisores transistorizados, como por

ejemplo diodos de potencia para fuentes de alimentación, diodos de señal, diodos

varicap, diodos zener, etc., ya sean de germanio o de silicio.

Hay que observar que cuando se utiliza un multímetro digital que tiene una posición

para el diodo, puede llevarse a cabo una prueba dinámica de este dispositivo

semiconductor. Con un diodo en buenas condiciones, el voltaje de polarización

directa que despliega el mutímetro debe ser, aproximadamente, de 0,7 V. El

procedimiento anterior es la mejor prueba para verificar el estado de un diodo

a b

Fig. 28 Verificación del estado de un diodo con un ohmetro. a.- Cuando el diodo está polarizado en sentido directo, la lectura del ohmetro es baja

b. Si el diodo se polariza en sentido inverso, la lectura del ohmetro indica una

resistencia muy alta (infinita).



Fig. 29

Nota: En los multimetros analógicos, la punta roja corresponde al negativo de la

batería interna.


TIPOS DE DIODOS

Rectificador

Zener

Tunel

Varicap

o

Varactor

Led FotoDiodo

CAPÍTULO III

TIPOS DE DIODOS


TIPOS DE DIODOS

47

CAPÍTULO III

TIPOS DE DIODOS

Según su construcción, se podría decir que existen dos tipos de diodos: de Contacto

por punta y de unión.

Los de contacto por punta están formados por un cristal semiconductor montado

sobre una base de metal y por un alambre terminado en punta, la cual hace contacto a

presión con el semiconductor. Un Terminal de conexión exterior va soldado al

extremo libre del alambre y el otro a la base del metal. El alambre suele ser de

aleación de platino, tungsteno, bronce fosforoso, etc. El cristal semiconductor, de

silicio tipo P o germanio tipo N. En realidad, no existe unión PN en este tipo de

diodo.

Los diodos de unión están formado por la unión de dos cristales de diferentes clases

uno tipo N y otro tipo P. Los terminales de conexión exteriores van unidos a las

superficies extremas de los cristales. Este tipo de diodo trabaja con potencias más

elevadas que los de contacto por punta.

Algunos diodos dentro de los dos tipos planteados son:

1. Diodo Zener

El diodo zener corresponde a una unión PN particular polarizada en sentido inverso

es decir que el cátodo (K) se conecta a un potencial más elevado que el ánodo (A), se

caracteriza porque conduce en la zona inversa a partir de una tensión negativa VZ.

Tiene tres zonas de funcionamiento, la zona de polarización en sentido directo tiene

las mismas características que el diodo rectificador o de propósito general, mientras

que en polarización en sentido inverso se diferencian dos zonas, una en la que el

diodo no conduce y en la que si conduce o permite la circulación de corriente, y la

tensión tiene un valor menor o igual a la tensión Zener o de ruptura (VZ), Esta tensión


TIPOS DE DIODOS

48

de ruptura depende de las características de construcción del diodo, se fabrican desde

2 a 200 voltios.

Fig. 30 Curva Característica del Diodo Zener

Las características que diferencian a los diversos diodos Zener entre si son:

Tensiones de polarización inversa, conocida como Tensión Zener.- Es la

tensión que el zener va a mantener constante.

Corriente mínima de funcionamiento.- Si la corriente a través del zener es

menor, no hay seguridad en que el Zener mantenga constante la tensión en sus

bornes

Potencia máxima de disipación. Puesto que la tensión es constante, nos

indica el máximo valor de la corriente que puede soportar el Zener.

La máxima corriente que puede conducir un diodo Zener viene dada por la siguiente

ecuación:

Z

ZMAXMax

V

PI


TIPOS DE DIODOS

49

Por tanto el Zener es un diodo que al polarizarlo inversamente mantiene constante la

tensión en sus bornes a un valor llamado tensión de Zener, pudiendo variar la

corriente que lo atraviesa entre el margen de valores comprendidos entre el valor

mínimo de funcionamiento y el correspondiente a la potencia de zener máxima que

puede disipar. Si superamos el valor de esta corriente el zener se destruye.

1.1.-Construcción de un diodo Zener

Los diodos Zener se fabrican por procesos de aleación o proceso de difusión según

sean las características que se deseen obtener. De modo general, podemos decir que

los diodos con tensiones de rupturas inferiores a 9V, presentan mejores características

cuando se fabrican por aleación, mientras que cuando las tensiones de rupturas son

superiores a los 12V se fabrican por difusión, pero para las tensiones entre 9V y 12V

el proceso de fabricación depende de otros factores.

Proceso de Fabricación por Aleación.

Este método consiste en calentar a una temperatura de 650°C aproximadamente, una

pequeña pastilla de cristal de silicio tipo N, a la que se le coloca encima una

minúscula cantidad de material tipo P. Al calentarlos se produce la aleación entre

ambos materiales en una zona de forma circular.

Proceso de Fabricación por Difusión

Este tipo de diodos se obtienen depositando en una delgada lamina de cristal de

silicio, boro por una cara (para la formación del materia tipo P) y por la otra vapor de

fósforo (para la formación del materia tipo N) el conjunto se introduce en un horno a

una temperatura superior a 1200ºC el calor provocara que en el cristal de silicio

penetre el fósforo por un lado y el boro por el otro, difundiéndose ambos materiales

en el cristal de silicio.


TIPOS DE DIODOS

50

El tipo de encapsulado es igual que el de los diodos rectificadores. Aunque no se

comportan como ellos, es por eso que en simbología electrónica la forma de

representarlos es también diferente. Ver figura 31

Los modelos del diodo Zener se forman a partir de cualquiera de los modelos del

diodo de propósito general añadiendo una zona de operación, la de conducción

inversa. La expresión en polarización directa permanece sin cambios, pero en le zona

inversa hay que introducir una modificación en la conducción, que queda de la

siguiente forma:

Fig. 31 Aspecto Físico y Simbología del Diodo Zener

Modelo Ideal: VZ ≤ VD ≤ 0 No hay circulación de corriente

Los otros Modelos: VZ ≤ VD ≤ Vγ No hay circulación de corriente

1ER

Aproximación


TIPOS DE DIODOS

51

Bajo esta aproximación el diodo se sustituye por una batería o fuente de tensión de

valor igual a tensión zener VZ. Esto solo es válido entre IZmín y IZmáx. Ver Figura 32

2DO

Aproximación

En esta segunda aproximación se sustituye al diodo por una batería de valor igual a la

tensión zener en serie con una resistencia, siendo está el inverso de la pendiente de la

curva característica en sentido inverso. Igualmente esto solo es válido entre IZmín y

IZmáx, Z

Z

ZD VV

R

VVI

. Ver figura 33.

Fig. 32 Curva Característica del diodo zener para la primera aproximación

Fig. 33 Curva Característica del diodo zener para la segunda aproximación


TIPOS DE DIODOS

52

El modelo más utilizado del diodo zener es el que supone que las resistencias del

diodo tanto en directo como en inverso son muy pequeñas y se desprecia dicho valor,

quedando:

ZD

DZ

D

VVI

IVVV

VVI

0

0

0

1.2.- Código De Identificación Del Zener

Existen tres tipos de identificación de los diodos zener. El más moderno consiste en

tres letras seguidas de un número de serie y el valor que hace referencia a la tensión

zener.

1. Es un B, indicativa de que se trata de un elemento semiconductor de silicio

2. Es una Z, indica que se trata de un diodo zener

3. Es una X o Z indica que se trata de aplicaciones profesionales

Después ira el número de serie indicado por el fabricante y la tensión zener,

utilizando la V como coma decimal. Por ejemplo:

BZX-79-5V1

En ocasiones se le añade una letra más que nos indicara la tolerancia de la tensión

zener, según el siguiente código:

A---- 1%

B---- 2%

C---- 5%

D----10%


TIPOS DE DIODOS

53

E----15%

Otro código es el que utiliza También tres letras y el número de serie del fabricante,

siendo:

1. Es un O, indicativa de que se trata de un elemento semiconductor.

2. Es AZ, indica que se trata de un diodo zener

3. El numero de serie del fabricante.

Y por ultimo el código americano, que al igual que los diodos rectificadores seria:

1N seguido por un número de serie.

1.3.- Aplicaciones

Regulador de tensión.

Tensión de referencia.

Circuito Limitador.

1.4.- Especificaciones del fabricante

En el caso de los diodos zener por lo general aparecen los siguientes parámetros en

las hojas de especificaciones.

Tipo de dispositivo con el número genérico o con los números del fabricante.

Tensión zener nominal (tensión de temperatura por avalancha).

Tolerancia de tensión.

Máxima disipación de potencia (a 25°C).

Corriente de prueba, Izt.

Impedancia dinámica a Izt.

Corriente de vértice.

Máxima temperatura en la unión.

Coeficiente de temperatura.

http://www.monografias.com/trabajos11/tole/tole.shtml

http://www.monografias.com/trabajos14/dinamica-grupos/dinamica-grupos.shtml


TIPOS DE DIODOS

54

Curvas de degradación para altas temperaturas.

2. Diodo Led Y Fotodiodo

2.1 Diodo LED

Ciertos tipos de diodos son capaces de cambiar la fuente de energía eléctrica en

fuente de energía lumínica. El diodo emisor de luz (LED, Light emitting diode)

transforma la corriente eléctrica en luz. Es útil para diversas formas de despliegues, y

a veces se puede utilizar como fuente de luz para aplicaciones de comunicaciones por

fibra óptica.

Los diodos emisores de luz, se fabrican con materiales semiconductores de

formulación especial [Arseniuro de Galio (GaAs), Fosfato de Galio (GaP)] que

emiten fotones de luz visible o infrarroja cuando conducen en polarización directa. En

polarización inversa se comportan como un diodo de propósito general, aunque se

diferencian en que su tensión umbral de conducción es de 1,5V a 2,2V

aproximadamente y la gama de corrientes que debe circular por él está entre los 10 y

20 miliamperios (mA) en los diodos de color rojo y de entre los 20 y 40 miliamperios

(mA) para los otros LEDs.

Pero como resulta difícil distinguir, por pura inspección visual, el modelo del LED así

como el fabricante: los valores máximos de tensión y corriente que puede soportar y

que suministra el fabricante serán por lo general desconocidos. Por esto, cuando se

utilice un diodo LED en un circuito, se recomienda que la intensidad que lo atraviese

no supere los 20 mA, precaución de carácter general que resulta muy válida.

Los LED, se pueden obtener en el mercado en diferentes colores: Rojo, Verde,

Naranja, Amarillo, Infrarrojo, Bicolor etc. Y ala intensidad de la luz tiene

dependencia lineal con la corriente de excitación. Estos dispositivos emisores de luz,

vienen constituidos para diferentes corrientes de excitación, corrientes muy altas


TIPOS DE DIODOS

55

disminuirán la vida útil de LED, por ello, es importante colocar en serie con el diodo

una resistencia de protección para que limite la corriente que circula por el LED.

Dependiendo del material de que está hecho el LED, será la emisión de la longitud de

onda y por ende el color.

Fig. 34 Símbolo y Aspecto físico del Diodo LED

Para identificar los terminales del diodo LED observaremos como el cátodo será el

terminal más corto, siendo el más largo el ánodo. Además en el encapsulado,

normalmente de plástico, se observa un chaflán en el lado en el que se encuentra el

cátodo.

Se utiliza ampliamente en aplicaciones visuales, como indicadoras de cierta situación

específica de funcionamiento.

Ejemplos

- Se utilizan para desplegar contadores.

- Para indicar la polaridad de una fuente de alimentación de corriente directa.

- Para indicar la actividad de una fuente de alimentación de corriente alterna.

- En dispositivos de alarma.


TIPOS DE DIODOS

56

Sus desventajas son que su potencia de iluminación es tan baja, que su luz es invisible

bajo una fuente de luz brillante y que su ángulo de visibilidad está entre los 30° y 60°.

Este último problema se corrige con cubiertas difusores de luz.

2.2.- Fotodiodo

Un fotodiodo realiza la función inversa al LED. Esto es, transforma la fuente de

energía lumínica en corriente eléctrica. Cuando el fotodiodo es polarizado en sentido

directo, ofrece un comportamiento similar al de un diodo de propósito general pero

cuando se ilumina una unión PN polarizada inversamente se produce un aumento de

la corriente inversa que es proporcional a la intensidad de luz aplicada. Este

fenómeno se da porque los fotones de luz generan nuevos pares electrón-hueco en las

dos zonas, de forma que los portadores minoritarios puedan atravesar la unión por la

acción del potencial inverso, contribuyendo aun aumento apreciable de la corriente

inversa, a ese flujo de corriente, se denomina " fotocorriente " en el circuito externo,

que es proporcional a la intensidad de luz efectiva en el dispositivo. Este se comporta

como generador de corriente constante mientras la tensión no exceda la tensión de

avalancha.

El fotodiodo exhibe un pico de respuesta en una longitud de onda radiante

determinada. Para esta longitud de onda, se produce la máxima cantidad de pares

huecos-electrón en la proximidad de la unión.

El máximo de la curva de respuesta espectral de un fotodiodo típico se halla en 850

nm, aproximadamente.

La totalidad de los detectores de luz comunes consisten en una unión a fotodiodo y un

amplificador. En la mayoría de dispositivos comerciales, la corriente del fotodiodo se

halla en el margen comprendido entre el submicroamperio y las decenas de

microamperios, pudiendo añadirse a la pastilla un amplificador por un coste mínimo.


TIPOS DE DIODOS

57

Fig. 35 Simbología y Aspectos físicos de un Fotodiodo

Fig. 36 Curva característica / V de un fotodiodo para diferentes intensidades luminosas

Composición

El material empleado en la composición de un fotodiodo es un factor crítico para

definir sus propiedades. Suelen estar compuestos de silicio, sensible a la luz visible

(longitud de onda de hasta 1µm); germanio para luz infrarroja (longitud de onda hasta

aprox. 1,8 µm ); o de cualquier otro material semiconductor.

También es posible la fabricación de fotodiodos para su uso en el campo de los

infrarrojos medios (longitud de onda entre 5 y 20 µm), pero estos requieren

refrigeración por nitrógeno líquido.


TIPOS DE DIODOS

58

Antiguamente se fabricaban exposímetros con un fotodiodo de selenio de una

superficie amplia.

Tabla de los semiconductores y su longitud de onda

3. DIODO DE BARRERA O SCHOTTKY

El diodo Schottky llamado así en honor del físico alemán Walter H. Schottky,

también denominado diodo pnpn o diodo de barrera, ya que se forma una barrera a

través de la unión debido al movimiento de los electrones del semiconductor a la

interfaz metálica, es un dispositivo semiconductor que proporciona conmutaciones

muy rápidas entre los estados de conducción directa e inversa (menos de 1ns en

dispositivos pequeños de 5 mm de diámetro) y muy bajas tensiones umbral. Su

característica de tensión corriente es muy similar a la del diodo de unión PN de silicio

excepto porque la tensión en directo, Vγ, es 0.3 V en vez de 0.7 V, la capacitancia

asociada con el diodo es pequeña. A frecuencias bajas un diodo normal puede

conmutar fácilmente cuando la polarización cambia de directa a inversa, pero a

medida que aumenta la frecuencia el tiempo de conmutación puede llegar a ser muy

alto, poniendo en peligro el dispositivo.

El diodo Schottky está constituido por una unión metal-semiconductor (barrera

Schottky), ligeramente dopada con un metal como el aluminio o platino, en lugar de

la unión convencional semiconductor-semiconductor utilizada por los diodos

normales. Es por ello que se dice que el diodo Schottky es un dispositivo

semiconductor "portador mayoritario". Esto significa que, si el cuerpo semiconductor

está dopado con impurezas tipo N, solamente los portadores tipo N (electrones


TIPOS DE DIODOS

59

móviles) jugaran un papel significativo en la operación del diodo y no se realizará la

recombinación aleatoria y lenta de portadores tipo N y P que tiene lugar en los diodos

rectificadores normales, con lo que la operación del dispositivo será mucho más

rápida.

La alta velocidad de conmutación permite rectificar señales de muy altas frecuencias

y eliminar excesos de corriente en circuitos de alta intensidad.

La limitación más evidente del diodo de Schottky es la dificultad de conseguir

resistencias inversas relativamente elevadas cuando se trabaja con altos voltajes

inversos pero el diodo Schottky encuentra una gran variedad de aplicaciones en

circuitos de alta velocidad para computadoras donde se necesiten grandes velocidades

de conmutación y mediante su poca caída de voltaje en directo permite poco gasto de

energía, otra utilización del diodo Schottky es en variadores de alta gama para que la

corriente que vuelve desde el motor al variador no pase por el transistor del freno y

este no pierda sus facultades.

Fig. 37 Simbología y Curva Característica del Diodo Schottky

4. Diodo Pin

El fotodiodo PIN es el detector más importante utilizado en los sistemas de

comunicación óptica. Es relativamente fácil de fabricar, altamente fiable, tiene bajo


TIPOS DE DIODOS

60

ruido y es compatible con circuitos amplificadores de baja tensión. Además, es

sensible a un gran ancho de banda debido a que no tiene mecanismo de ganancia. Es

un diodo que presenta una región P y una región N también fuertemente dopada,

separadas por una región de material que es casi intrínseco. Este tipo de diodos se

utiliza en frecuencias de microondas, es decir, frecuencias que exceden de 1 GHz,

puesto que incluso en estas frecuencias el diodo tiene una impedancia muy alta

cuando está inversamente polarizado y muy baja cuando esta polarizado en sentido

directo. Además, las tensiones de ruptura están comprendidas en el margen de 100 a

1000 V.

En virtud de las características del diodo PIN se le puede utilizar como interruptor o

como modulador de amplitud en frecuencias de microondas ya que para todos los

propósitos se le puede presentar como un cortocircuito en sentido directo y como un

circuito abierto en sentido inverso. También se le puede utilizar para conmutar

corrientes muy intensas y/o tensiones muy grandes.

Los diodos Pin hacen básicamente cambiar su resistencia en RF en función de las

condiciones de polarización. Por ello, pueden actuar:

1. Como conmutador de RF

2. Como resistencia variable

3. Como protector de sobretensiones

4. Como fotodetector

El diodo se forma partiendo de silicio tipo P de alta resistividad. La capa P de baja

resistividad representada, está esta formada por difusión de átomos de boro en un

bloque de silicio tipo P y la capa N muy delgada está formada difundiendo grandes

cantidades de fósforo. La región intrínseca es realmente una región P de alta

resistividad y se suele denominar región p. Cuando el circuito está abierto, los

electrones fluyen desde la región (p) hasta la región P para recombinarse con los

huecos en exceso, y los huecos fluyen desde la región para recombinarse con los

electrones de la región N. Si el material (p) fuese verdaderamente intrínseco, la


TIPOS DE DIODOS

61

caída de tensión en la región sería nula, puesto que la emigración de huecos sería

igual a la emigración de electrones. Si embargo, como el material es en verdad p (P

de alta resistividad), hay mas huecos disponibles que electrones.

Cuando se aplica una polarización inversa al diodo los electrones y los huecos del

material p son barridos (swept free). Un posterior aumento de la tensión inversa

simplemente incrementa las distribuciones de tensiones P- e -N. En el diodo PIN la

longitud de la región de transición L es aproximadamente igual a la región y

aproximadamente independiente de la tensión inversa. Por lo tanto, a diferencia de los

diodos PN o Schottky, el diodo PIN tiene una capacidad inversa que es

aproximadamente constante, independiente de la polarización. Una variación típica de

la capacidad podría ser desde 0,15 hasta 0,14 pF en una variación de la polarización

inversa de, por ejemplo, 100 V. En virtud de que es igual a la longitud de la región ,

la longitud de la región de transición es aproximadamente constante y

considerablemente mayor que la de otros diodos y, por lo tanto, la capacidad CR, que

es proporcional a 1/L es significativamente menor que la de otros diodos, por lo que

el diodo PIN es apropiado para aplicaciones de microondas. Los valores normales de

CR varían desde 0,1 pF hasta 4 pF en los diodos PIN, comercialmente asequibles.

Cuando el diodo está polarizado en sentido directo, los huecos del material P se

difunden el la región p, creando una capa P de baja resistividad. La corriente es

debida al flujo de los electrones y de los huecos cuyas concentraciones son

aproximadamente iguales en la región . En la condición de polarización directa la

caída de tensión en la región es muy pequeña. Además, al igual que el diodo PN,

cuando aumenta la corriente, también disminuye la resistencia. En consecuencia el

diodo PIN es un dispositivo con su resistencia o conductancia modulada. En una

primera aproximación, la resistencia rd en pequeña señal es inversamente

proporcional a la corriente IDQ con polarización directa, lo mismo que en el diodo PN.

En frecuencias de microondas se representa de maneras más sencillas por una

capacidad CR en serie con la resistencia directa rd. Con tensiones directas, CR es


TIPOS DE DIODOS

62

aproximadamente infinita, mientras que en polarización inversa, rd es

aproximadamente nula. La capacidad CT es la capacidad parásita paralelo que se

produce soldando el diodo a la cápsula y L es la inductancia serie debida a los hilos

de conexión desde el diodo hasta la cápsula.

Fig.38 Circuito equivalente del diodo PIN en la región Directa e Inversa

Fig. 39 Simbología del Diodo PIN

5. Diodo Varactor O Varicap


TIPOS DE DIODOS

63

Los diodos varactores [llamados también varicap (diodo con capacitancia-voltaje

variable) o sintonizadores] son semiconductores dependientes del voltaje, capacitores

variables. Su modo de operación depende de la capacitancia que existe en la unión P-

N cuando el elemento está polarizado inversamente. En condiciones de polarización

inversa, se estableció que hay una región sin carga en cualquiera de los lados de la

unión que en conjunto forman la región de agotamiento y definen su ancho Wd. La

capacitancia de transición (CT) establecida por la región sin carga se determina

mediante:

CT = E (A/Wd)

Donde E es la permitibilidad de los materiales semiconductores, A es el área de la

unión P-N y Wd el ancho de la región de agotamiento.

Conforme aumenta el potencial de polarización inversa, se incrementa el ancho de la

región de agotamiento, lo que a su vez reduce la capacitancia de transición. El pico

inicial declina en CT con el aumento de la polarización inversa. El intervalo normal

de VR para diodos varicap se limita aproximadamente 20V. En términos de la

polarización inversa aplicada, la capacitancia de transición se determina en forma

aproximada mediante:

CT = K / (VT + VR)n

donde:

K = constante determinada por el material semiconductor y la técnica de

construcción.

VT = potencial en la curva según se definió en la sección

VR = magnitud del potencial de polarización inversa aplicado

n = 1/2 para uniones de aleación y 1/3 para uniones de difusión


TIPOS DE DIODOS

64

Fig.40 Simbología del Diodo Varicap y Circuito equivalente

Fig. 41 Curva de Variación de la capacitancia vs Tensión Inversa aplicada

Los valores de capacidad obtenidos van desde 1 a 500 pF. La tensión inversa mínima

tiene que ser de 1 V.

La aplicación de estos diodos se encuentra, sobre todo, en la sintonía de TV,

modulación de frecuencia en transmisiones de FM y radio.

Ventajas y desventajas

El varicap tiene, entre otras, las siguientes ventajas:

Menor tamaño que los capacitores variables mecánicos.

Posibilidad de sintonía remota.

La principal desventaja del varicap es la dependencia de algunos de sus parámetros de

la temperatura y por lo tanto requiere esquemas de compensación.


TIPOS DE DIODOS

65

6. Diodo Tunel

El físico japonés Esaki, descubrió que los diodos semiconductores obtenidos con un

grado de contaminación del material básico mucho más elevado que lo habitual

exhiben una característica tensión-corriente muy particular. La corriente comienza

por aumentar de modo casi proporcional a la tensión aplicada hasta alcanzar un valor

máximo, denominado corriente de cresta. A partir de este punto, si se sigue

aumentando la tensión aplicada, la corriente comienza a disminuir y lo siga haciendo

hasta alcanzar un mínimo, llamado corriente de valle, desde el cual de nuevo

aumenta. El nuevo crecimiento de la corriente es al principio lento, pero luego se

hace cada vez más rápido hasta llegar a destruir el diodo si no se lo limita de alguna

manera. Este comportamiento particular de los diodos muy contaminados se debe a lo

que los físicos denominan efecto túnel, para las aplicaciones prácticas del diodo túnel,

la parte mas interesante de su curva característica (ver figura 42) es la comprendida

entre la cresta y el valle. En esta parte de la curva a un aumento de la tensión aplicada

corresponde una disminución de la corriente; en otros términos, la relación entre un

incremento de la tensión y el incremento resultante de la corriente es negativa y se

dice entonces que esta parte de la curva representa una "resistencia incremental

negativa". Una resistencia negativa puede compensar total o parcialmente una

resistencia positiva. Así, por ejemplo, las pérdidas que se producen en un circuito

resonante a causa de la presencia siempre inevitable de cierta resistencia en el, se

compensa asociando al circuito una resistencia negativa de valor numérico

conveniente y realizada por ejemplo, mediante un diodo túnel. En tal caso el circuito

oscilante se transforma en un oscilador.


TIPOS DE DIODOS

66

Fig. 42 Curva Característica del Diodo túnel

Cuando el voltaje de polarización directa se encuentra entre 0,1V y 0,5V, la corriente

empieza a reducirse con el aumento del voltaje, llevando a una característica de

corriente- voltaje en forma de S, la región central de esta curva se llama la región de

resistencia negativa, el voltaje mínimo a la derecha de esta región se denomina

tensión de valle (VV); la corriente en este punto se llama corriente de valle (V), y la

corriente máxima que fluye a bajos voltajes se llama corriente de pico (P) y la tensión

en ese punto es el voltaje de pico (VP).

El diodo túnel es útil en aplicaciones de alta velocidad. Conforme aumenta la

polarización directa, la corriente aumenta con rapidez hasta que se produce la ruptura,

entonces la corriente cae rápidamente. Este a su vez es muy útil debido a esta cesión

de resistencia negativa la cual se desarrolla de manera característica en el intervalo de

50mV a 250mv.


TIPOS DE DIODOS

67

Fig. 43 Circuito equivalente y simbología del Diodo Túnel

7. Diodo De Contacto Puntual.

El rectificador de contacto puntual consiste en un semiconductor sobre el que

descansa la punta de un alambre delgado.

La curva de corriente versus voltaje es cualitativamente similar a la del diodo de

unión. Sin embargo, para un voltaje positivo dado, el diodo de contacto puntual

conduce algo más de corriente. Más aún, conforme el voltaje negativo aumenta, la

corriente inversa tiende a aumentar más bien que permanecer aproximadamente

constante. La marca inflexión en la curva del diodo de unión en -V» no ocurre en los

diodos de contacto puntual, dado que el calentamiento de tal punto ocurre a voltajes

mucho mas bajos y produce un aumento gradual de la conductancia en la dirección

negativa.


APLIACIONES DE LOS DIODOS

CAPÍTULO IV

APLICACIONES DE LOS

DIODOS


APLICACIONES DEL DIODOS

69

CAPÍTULO IV

APLICACIONES DE LOS DIODOS

El diodo es un elemento semiconductor formado por la unión de dos pastillas

semiconductoras, una de tipo P (ánodo) y otra de tipo N (cátodo).

Cuando la tensión en el ánodo es más positiva (o menos negativa) que la del cátodo,

superándola en al menos 0,6 voltios en diodos de silicio y de 0,3 voltios en los de

germanio, el diodo se encuentra polarizado directamente. En esta disposición

conducirá el diodo y se comportará prácticamente como un cortocircuito (en su

modelo ideal). Si la tensión en el ánodo es menor que la correspondiente al cátodo, el

diodo estará polarizado inversamente y no conducirá, siendo equivalente a un

circuito abierto (en su modelo ideal).

1.- Rectificador

Concepto

Los rectificadores se usan para transformar una señal alterna en una señal continua.

Se usan por lo tanto en todos los circuitos electrónicos, salvo los que van alimentados

por baterías. Cualquier dispositivo que permita circular la corriente en un solo sentido

podemos decir que es un rectificador. Y éste es el caso de los diodos, pues

únicamente cuando el ánodo esté a una tensión más positiva que el cátodo dejará

pasar la corriente a través de él, con el sentido convencional de ánodo a cátodo.

1.1.- Rectificador de Media onda

Un circuito rectificador de media onda sólo rectifica la mitad de la tensión alterna

presente en su entrada; es decir, cuando el ánodo tenga una tensión sea mas positivo



70

respecto a la tensión en el cátodo. Puede considerarse como un circuito en el que la

unidad rectificadora está en serie con la tensión de entrada y la carga. Ver figura 44.

T1

D1

RL

+

-

Vo

+

-

Vi

Fig. 44 Circuito Rectificador de Media Onda

En el circuito de la figura 44, cuando llega el semiciclo positivo de señal presente en

el secundario del transformador al ánodo del diodo, éste queda polarizado

directamente y consecuentemente conducirá; la tensión en la salida Vo vista en los

terminales de la resistencia será Vo = Vm-0,7 V, siendo Vm la amplitud de la señal de

entrada.

Cuando llegue el semiciclo negativo del secundario al ánodo del diodo, éste quedará

polarizado inversamente y no conducirá, siendo Vo muy próxima a cero ya que

siempre circulará una pequeñísima corriente inversa.

SEÑAL DE SALIDA

-2

0

2

4

6

8

10

12

Tiempo (S)

Tensió

n d

e S

alid

a V

o (

V)

Fig. 45 Señal de Salida de un Circuito Rectificador de Media Onda

SEÑAL DE ENTRADA

-15

-10

-5

0

5

10

15

Tiempo (S)

Ten

sió

n d

e E

ntr

ad

a V

i (V

)



71

Las tensiones características vendrán dadas por las siguientes ecuaciones:

Valor Eficaz de la tensión de Salida RMS 2

7,0 VVV m

o

Valor Medio o Tensión de corriente continúa

VVomed

7,0V m

Aplicaciones. Se emplean como alimentación de muchos sistemas de baja tensión y

de aparatos universales, así como para proporcionar alta tensión a los osciloscopios.

1.2.- Rectificador de Onda Completa o Doble onda

El rectificador de doble onda, también denominado onda completa, está formado por

dos rectificadores de media onda que funciona durante alternancias opuestas de la

tensión de entrada.

Tipos:

Con Transformador de Toma Central

Puente

Con Transformador de Toma Central

El secundario del transformador tiene en su punto intermedio una toma conectada a

tierra, obteniéndose así dos tensiones iguales y desfasadas 180 grados que se aplican

alternativamente a los ánodos de cada diodo.

Cuando llega el semiciclo positivo a un diodo, al otro le llega el semiciclo negativo,

con lo cual uno conduce y el otro no, y viceversa. Consecuentemente siempre habrá

un diodo conduciendo, obteniéndose en la salida únicamente semiciclos positivos.

En este circuito tenemos:



72

Fig. 46 Circuito Rectificador Doble Onda con Transformador de Toma Central

Fig. 47 Señal de Entrada al Circuito Rectificador Doble Onda con Transformador de Toma Central

Fig. 48 Señal de Salida del Circuito Rectificador Doble Onda con Transformador de Toma Central

Vo

(Vm-

0,7V)



73

Fig. 49 Señal presente en los Diodos D1 y D2


7,0 VVV m

o

Valor Medio o Tensión de corriente Continua

)7,02(V m V

Vomed

Aplicaciones. Se usan en sistemas de todos los equipos de comunicación, teniendo

un gran rendimiento y posibilidad de proporcionar una gran gama de tensiones con

corrientes moderadas. Se utilizan mucho para la carga de baterías porque así se evita

el peligro de la saturación del núcleo del transformador.

Tipo Puente

Son cuatro rectificadores de media onda conectados en la forma indicada en el

circuito.

Fig. 50 Circuito Rectificador Onda Completa Tipo Puente



74

La tensión alterna se aplica entre las uniones de un ánodo y un cátodo de dos diodos,

obteniéndose la salida en el punto de unión de dos cátodos (polo positivo) y de dos

ánodos (polo negativo).

Durante el semiciclo positivo de la señal de entrada conducen dos diodos, cerrándose

el circuito de circulación de la corriente por la resistencia de carga; durante el

semiciclo negativo conducirán los otros dos diodos, cerrándose el circuito también

por la resistencia de carga. Así se obtiene en la salida únicamente semiciclos

positivos tal como ocurría en el circuito rectificador de doble onda anterior.

Fig. 51 Circuito Rectificador Onda Completa Tipo Puente

En este rectificador las fórmulas y el tipo de aplicaciones son las mismas que en el

anterior, aunque debemos tener en cuenta que la tensión de salida será 0,7 voltios



75

inferior pues al haber dos diodos conduciendo la caída de tensión será ahora de

0,7+0,7=1,4. Sin embargo, la ventaja que presenta es que el transformador no

necesita toma intermedia y que la tensión inversa se reparte entre dos diodos en cada

semiciclo, no sobre uno sólo como en el circuito anterior.


4,1 VVV m

o

Valor Medio o Tensión de corriente continúa

VVoDC

)4,12(V m

2.- Factor de Forma F y Índice de Ondulación (Factor de Rizo)

2.1.- Factor de Forma Ff

El factor de forma de una rectificación es la relación que existe entre el valor eficaz

total de la magnitud ondulada y su valor medio

SenwtdtVT

wtdtSenVT

V

VF

m

T

T

m

oDC

rmsf

0

0

22

1

1

Cuanto mas se acerca a la unidad el factor de forma, mejor será la rectificación

obtenida.

2.2.-Índice de Ondulación o Factor de Rizo Fr

El índice de modulación es igual al cociente entre el valor eficaz de la ondulación

exclusivamente y su valor medio.

12 fr FF



76

3.-Comparación Entre los Diferentes Rectificadores

El rectificador de media onda tiene un índice de ondulación igual a 1,21. Este

resultado indica que la tensión eficaz de ondulación es mayor que la tensión promedio

de salida y este tipo de rectificador es un circuito relativamente malo para convertir

corriente alterna en continua.

El rendimiento que se obtiene con este tipo de rectificador era realmente bajo, ya que

medio período de la corriente quedaba completamente inútil.

El otro tipo de rectificador doble onda, no presenta este problema. Sin embargo este

rectificador plantea otro problema, ahora en los diodos. La tensión inversa que debe

soportar los diodos es el doble de la tensión rectificada.

Debemos también tener para este tipo de rectificador un transformador con toma

central en el secundario.

El rectificador tipo puente soluciona estos problemas.

Las desventajas del rectificador tipo puente son las siguientes:

Necesidad de utilizar dos diodos por fase (el doble de diodos que el

rectificador con toma central) y necesidad que estos diodos posean una

resistencia directa pequeña.

Las Ventajas son:

La tensión inversa que debe soportar cada diodo es la mitad que en el caso con

transformador con toma central.

El transformador no necesita toma central.

En conclusión se utiliza siempre un rectificador de onda Completa que tiene un índice

de ondulación más interesante que el media onda.

El rectificador tipo puente es el que se utiliza con más frecuencia.

La corriente rectificada en cada tipo tiene una componente alterna muy importante.

Debemos separar esta componente de la corriente, es decir filtrarla.



77

4.-Filtraje.

La salida de cualquiera de los rectificadores anteriormente expuestos debe ser

modificada para que se aproxime lo más posible a una tensión continua pura. Para

ello se utiliza un filtro (tipo paso bajo) para así aplanar los impulsos rectificados.

4.1.- Filtraje con condensador

Con frecuencia el filtraje se efectúa colocando un condensador en paralelo con la

carga. El funcionamiento de este sistema se basa en que el condensador almacena

energía durante el período de conducción y entrega esta energía a la carga durante el

período inverso, o de no conducción. De esta forma, se prolonga el tiempo durante el

cual circula corriente por la carga, y se disminuye notablemente el rizado.

Rectificador de media onda con filtro capacitivo

El condensador en los filtros paso bajo va en paralelo con el rectificador y la carga.

Su capacidad debe ser grande para que la reactancia que presente sea mucho menor

que la resistencia de la carga.

Fig. 52 Circuito Rectificador de Media Onda con Filtro Capacitivo

En el semiciclo positivo de la señal de entrada el diodo conduce, cerrándose así el

circuito y haciendo que el condensador se cargue a una tensión muy próxima a la

tensión de pico de salida del secundario del transformador. Debe elegirse con gran

cuidado el diodo y el condensador para evitar que cuando el condensador se



78

encuentre totalmente descargado, el primer pico de corriente sea excesivamente

grande y dañe al diodo.

Durante el semiciclo negativo de la señal de entrada (Vs) el diodo no conduce,

comportándose prácticamente como un circuito abierto. El condensador se descargará

sobre la resistencia hasta que empiece un nuevo semiciclo positivo en el secundario

del transformador, volviendo a cargarse el condensador en cuanto la tensión de

entrada supere a la que conserva entre sus extremos el condensador.

Fig. 53 Señal de Salida

de tensión (VO) y

Corriente id Circuito

Rectificador Media Onda

con Filtro Capacitivo.

En ese momento el

condensador volverá a recuperar la carga perdida hasta alcanzar el valor de pico de la

tensión de entrada, y así sucesivamente se vuelve a repetir el suceso.

La magnitud del segundo pico de corriente, y los sucesivos, son bastante inferiores al

primero y dependerán de la carga que aun conserve el condensador y también de la

capacidad del mismo.

Podemos observar en el osciloscopio que ya no existe vacío en la señal entregada por

el rectificador sin filtro, resultando así la señal más plana. Aumentando la capacidad

del condensador, la inclinación de la descarga sería menor y con ello disminuiría el



79

factor de rizado; sin embargo, tal capacidad no puede aumentarse en exceso porque el

impulso de corriente que se produciría en el instante de inicio de la carga alcanzaría

una intensidad capaz de dañar al diodo.

La constante de tiempo del condensador y la resistencia de carga debe ser grande

comparada con el período de la señal de entrada: RLC>>>T.

Filtro a condensador en el rectificador de doble onda

En este caso, el efecto producido por el condensador es el mismo, pero el tiempo de

descarga se reduce a la mitad y consecuentemente la magnitud de los impulsos de

corriente disminuye.

Fig. 54 Circuito Rectificador Onda Completa con Filtro Capacitivo

La tensión de salida del circuito y la corriente serán idénticas a las obtenidas en el

rectificador de media onda; ahora bien, al ser el doble la frecuencia de los semiciclos

que llegan al condensador, la tensión de rizado será menor y se obtendrá una tensión

más constante.



80

Fig. 55 Señal de Salida Circuito Rectificador Onda Completa con Filtro Capacitivo

En la figura 55 podemos ver las distintas tensiones y tiempos que se emplearán en el

análisis del calculo del factor de rizado. Hay que tener en cuenta que, como se supone

un rizado bajo, la señal que se considera de salida es una onda en diente de sierra si la

constante de tiempo RLC es grande frente al período de la señal, o sea RLC>>>T

como la siguiente:

Fig. 56 Método Gráfico para estimar el factor de rizado

A partir de esta señal, deducimos que la tensión de continua a la salida viene dada

como: 2

rmdc

VVV , donde Vm es la tensión de pico de la señal rectificada. Se

observa de dicha tensión de continua es la tensión de pico menos el valor medio del

rizado, el cual en este caso sencillo coincide con Vr/2.



81

El condensador se descarga linealmente durante T/2, luego la carga perdida se puede

expresar como: 2

TI dc y nos queda que la tensión de rizado y de continua vienen dadas

por las ecuaciones:

fC

I

C

TI

C

QV dcdc

r22

fC

IV

VVV dc

mr

mdc42

El rizado se puede definir como:

dc

rms

V

Vr

Vrms: Valor eficaz de la componente alterna

Vdc: Componente continúa

Obtenemos el valor eficaz de la componente alterna aplicando la definición, y nos

queda:

32234

1

2

1

0

2

2

3

0

2

rr

rrrms

VVd

VVV

Ahora substituimos el valor Vrms obtenido en la fórmula del rizado:

Ldc

dc

dc

r

fCRfCV

I

V

Vr

34

1

34*32

De nuevo se deduce que r disminuye con f, C y RL.

Filtro en PI con resistencia

La particularidad de este filtro es que lleva dos condensadores de filtro, unidos por

una resistencia que también podría ser una bobina.



82

T1

R1

47ohm

RL

330ohm

C1

470uF

C2

470uF

D1

1N4001GP

D2

1N4001GP

Fig. 57 Filtro en con resistencia

La carga y descarga del primer condensador produce un efecto como en el

rectificador de media o doble onda con filtro a condensador. La resistencia entre

ambos condensadores hace que se aplane aun más la señal, llegándole al segundo

condensador una corriente relativamente constante. Por último, la carga y descarga de

este último condensador, debido a la componente alterna, aplana todavía más las

fluctuaciones y a la carga llegará una corriente continua relativamente pura.

Estos filtros no son buenos porque, debido a la caída de tensión en la resistencia,

disminuirá la tensión en la salida del circuito y es muy posible que ésta sea

insuficiente. Se emplean únicamente cuando la corriente demandada sea pequeña

(consecuentemente la caída de tensión será despreciable en la resistencia entre

condensadores). Tal es el caso dado, por ejemplo, en la alimentación de alta tensión

en los tubos de rayos catódicos en los que se necesita una alta tensión con una baja

corriente.

5- Doblador de Tensión

Un circuito multiplicador de tensión está formado por diversos rectificadores de

media onda y condensadores dispuestos especialmente para entregar una tensión

múltiplo de la recibida en su entrada.



83

En el caso de un doblador, la tensión en la salida será, en principio, el doble de la

tensión máxima de la señal de entrada.

Fig. 58 Circuito Doblador de Tensión

Cuando el interruptor está abierto, el circuito es similar al rectificador de onda

completa, con una salida de aproximadamente Vm cuando los condensadores son

grandes. Cuando el interruptor está cerrado, el circuito opera como un doblador de

tensión. C1 se carga hasta Vm a través de D1 cuando la señal del generador es positiva

y C2 se carga hasta Vm a través de D4 cuando la señal del generador es negativa. La

tensión de salida será 2Vm. En este modo, los diodos D2 y D3 están polarizados en

inversa. El circuito doblador de tensión es útil cuando se precisa utilizar el equipo en

sistemas de diferentes estándares de tensión. Por ejemplo, se podría diseñar un

circuito para que operase correctamente tanto en Venezuela, donde la tensión de la

red es de 120 V, como en otros lugares donde la tensión de la red es de 240 V.

Si seguimos disponiendo diodos y condensadores iremos haciendo que la tensión de

salida sea el triple, cuádruplo, etc. de la señal alterna de entrada.

6.- Limitador De Tensión

Estos circuitos se emplean cuando se quiere seleccionar parte de una onda a unos

valores predeterminados. Su función se basa en el hecho de que un diodo no conduce

hasta que no esta polarizado directamente. Podemos distinguir dos tipos

Limitador Serie



84

Limitador Paralelo

o Limitador Positivo

o Limitador negativo

o Limitador Parcial o Polarizado de un nivel

o Limitador Parcial Doble o Polarizado de dos niveles

6.1.- Limitador Serie Positivo

En el la señal de salida se obtiene en serie con el diodo, son un caso particular de los

rectificadores de media onda.

Fig. 59 Circuito Limitador Serie



85

Fig. 60 Señal de Entrada y Salida de un Circuito Limitador Serie Positivo

El la figura 60 se puede apreciar la señal de entrada y salida del circuito anterior se

observa que tiene la misma forma de onda que un circuito rectificador de media onda.

6.2.- Limitador Serie Negativo

En este el diodo entra en conducción para los valores del semiciclo negativo de la

señal de entrada, y no conduce para los valores positivos de la señal de entrada.

Fig. 61 Circuito Limitador Serie Negativo



86

Fig. 62 Señal de Entrada y Salida de un Circuito Limitador Serie Negativo

6.3.- Limitador Paralelo

En ellos la señal de salida se obtiene paralelo con el diodo, pueden ser positivos o

nega

tivo

depe

nde

de la

posi

ción

del diodo.



87

Fig. 63 Circuito Limitador Paralelo (a) Positivo (b) Negativo

Fig. 64 Señales de Salida de los Circuito Limitador Paralelo (a) Positivo (b) Negativo

6.4.- Limitador Parcial o Polarizado de un nivel

En ellos la señal de salida se observa la unión del diodo en serie con una fuente de

tensión que puede ser positiva o negativa respecto a tierra.

Ejemplo a



88

Fig. 65 Circuito Limitador Polarizado de un nivel.

>>> Semiciclo positivo de la tensión de entrada:

Cuando la tensión de entrada es menor que la tensión de la fuente continua, el diodo

queda polarizado inversamente (circuito abierto), con lo cual la tensión de salida es

igual a la tensión de entrada (VO =VS).

Cuando la tensión de entrada es mayor que la tensión de la fuente continua, el diodo

queda polarizado directamente (cortocircuito), siendo ahora la tensión de salida igual

al valor de la fuente mas la tensión del diodo (VO=VDC+ VD= 5,7V).

>>> Semiciclo negativo de la tensión de entrada:

Como la tensión de entrada es menor que la tensión de la fuente continua, el diodo se

encontrará polarizado inversamente (circuito abierto) y la tensión en la salida será

igual a la de la entrada (VO = VS).



89

Fig. 66 Señal de Salida de un Circuito Limitador Polarizado de un Nivel

Ejemplo b



Cuando la tensión de entrada es menor que la tensión de la fuente continua, el diodo

se polariza directamente (cortocircuito) y consecuentemente la tensión de salida es

igual a la tensión de la fuente continua mas la tensión del diodo (VO=VDC+VD=

5,7V).



90

Si la tensión de entrada es mayor que la de la tensión de la fuente continua, el diodo

queda polarizado inversamente (circuito abierto) y consecuentemente la tensión en la

salida será igual a la de la entrada (VO=VS).


Como la tensión de entrada es menor que la tensión de la fuente de continua, el diodo

queda polarizado directamente y la tensión en la salida será igual a la tensión de la

fuente continua mas la tensión del diodo (VO=VDC+VD= 5,7V).


Ejemplo c




91


Como la tensión de entrada es mayor que la tensión de la fuente continua, el diodo

queda polarizado inversamente y la tensión en la salida será la misma que la de la

entrada (VO = VS).


Si la tensión en la entrada es menor que la tensión de fuente continua, el diodo se

polariza inversamente y la tensión de salida será igual a la de la entrada (VO = VS).

Si la tensión de entrada es mayor que la tensión de fuente continua, el diodo queda

polarizado directamente y en la salida tendremos una tensión igual a la tensión de la

fuente continua mas la tensión del diodo (VO= -VDC -VD= - 5,7V).




92

Ejemplo d

Fig. 71Circuito Limitador Polarizado de un Nivel


Como la tensión de entrada es mayor que la tensión de la fuente continua, el diodo

queda polarizado directamente y la tensión en la salida será igual a la tensión de la

fuente continua menos la tensión del diodo (VO= -VDC +VD= - 4,3V).


Si la tensión de entrada es menor que la tensión de la fuente continua, el diodo queda

polarizado directamente y la tensión en la salida será igual a la tensión de la fuente

continua menos la tensión del diodo (VO= -VDC +VD= - 4,3V).

Cuando la tensión de entrada sea mayor que la tensión de la fuente, el diodo será

polarizado de forma inversa y en la salida tendremos la tensión de la entrada

(VO=VS).



93


6.5.- Limitador Polarizado de Dos Niveles

Ejemplo e

Fig. 73 Circuito Limitador Polarizado de dos Niveles


Mientras que la tensión de entrada sea menor que la tensión de las fuentes de tensión

continuas, los diodos quedan polarizados inversamente y la tensión de salida es igual

a la tensión de entrada (VO = VS).

Cuando la tensión de entrada sea mayor que la tensión de la fuente continua 2, el

diodo 1 continua polarizado inversamente y el diodo 2 se polariza en forma directa

generando una tensión en la salida igual a la suma del valor de la fuente continua 2

mas la tensión del diodo (VO=VDC2+ VD2= 5,7V).



94


Al igual que en el semiciclo positivo mientras que la tensión de entrada sea menor

que la tensión de las fuentes de tensión continuas, los diodos quedan polarizados

inversamente y la tensión de salida es igual a la tensión de entrada (VO = VS)

En el momento en que la tensión de entrada sea mayor que la tensión de la fuente

continua 1, el diodo 1 queda polarizado directamente y el diodo 2 inversamente;

obteniéndose a la salida una la tensión igual a igual a la suma del valor de la fuente

continua 1 mas la tensión del diodo (VO= -VDC1 - VD1= -5,7V).

Fig. 74 Señal de Salida de un Circuito Limitador Polarizado de Dos Niveles



95

Ejemplo f

Fig. 75 Circuito Limitador Polarizado de dos Niveles Con Diodos Zener


Mientras que la tensión de entrada esa menor que la tensión en inverso del Zener este

no conducirá y se comporta como un circuito abierto, y la tensión en la salida será la

misma de la entrada (VO=VS).

Cuando la tensión de entrada es mayor que la tensión en inverso del zener 2, este

queda polarizado en inverso y el Zener 1 en Directo obteniéndose a la salida VO una

tensión igual a la tensión de zener en inverso del diodo 2 mas la tensión en directo del

Diodo 1 (VO = VZ2+ VD1= 5,8V).


En este semiciclo ocurre algo similar que en el semiciclo positivo pero el diodo 1

queda polarizado en inverso y el diodo 2 en directo cuando la tensión entrada es

mayor que la tensión en inverso del diodo Zener 1, generando una tensión de salida

igual a igual a la tensión de zener en inverso del diodo 1 más la tensión en directo del

Diodo 2 (VO = -VZ1 - VD2= - 5,8V).



96

Fig. 76 Señal de Salida de un Circuito Limitador Polarizado de Dos Niveles con diodos Zener

7.- Diodo zener como Regulador de Tensión

Corriente máxima y corriente mínima

Sea el siguiente montaje, donde el diodo zener es utilizado como regulador de

voltaje.

Fig. 77 Circuito Regulador de Tensión

La tensión de entrada varía entre Emínima= Em y Emáxima = EM o Em < E < EM.

La corriente máxima corresponde al estado de utilización en circuito abierto (L=S=0)

y con EM, es decir,

S

ZMM

R

VEI



97

La corriente en el zener no debe ser menor que Zmín (Corriente mínima para la cual la

tensión del diodo es todavía igual a VZ).

En el caso de la salida abierta (S= L=0) la corriente mínima que atraviesa el zener es:

S

Zmm

R

VEI

Como m > Zmín

Para el buen funcionamiento del regulador, la corriente de entrada que varía entre m

e M debe estar comprendida en el intervalo Zmín e Zmáx del diodo zener.

Si los valores límites Em y EM de la tensión de entrada se conocen, y también las

características del diodo zener, se puede calcular la resistencia RS.

Cálculo de RS (valor mínimo y valor máximo).

Fig. 78 Curva Característica del Diodo Zener



98

La pendiente de la curva característica, nos permite calcular la resistencia del diodo

zener.

min

min

ZZ

ZZd

II

VVr

Esta relación puede escribirse:

min)min ( ZZdZZ IIrVV

Y la parte lineal de la curva puede como VZ = VZO + rd*Z donde VZ, Z es un punto

sobre la curva, esta ecuación es válida si Z - Zmín> 0; no existe regulación si Zmín >Z.

Por otro parte, no se debe sobrepasar los límites de Zmáx y VZmáx, en caso contrario se

quema el diodo, PZmáx = VZMáx * Zmáx.

La resistencia RS deberá ser calculada de tal manera que:

maxmin ZZZ III y maxmin ZZZ VVV , siempre que E y RL varíen

entre ciertos valores conocidos.

Considerando Dos Casos:

1ER

Caso

RS no deberá ser mayor que RSMáx para lo cual Z = Zmín y VZ = VZmín y se supone el

caso desfavorable, es decir E = Em y RL = RLmín.

minL

ZMinLMaxL

R

VII

Aplicando la ley de Kirchhoff al circuito de regulación

minZLMaxZMaxSMaxm VIIRE

min

minmin

min

maxmin

min

max

L

ZZ

Zm

LZ

Zm

S

R

VI

VE

II

VER

2do

Caso



99

RS no deberá ser menor que RSmín para Z = Zmáx y VZ = VZmáx y se supone el caso

más desfavorable, es decir, E = EM y RL = RLmáx.

En este caso

max

min

L

ZMaxLL

R

VII

Aplicando la ley de Kirchhoff al circuito de regulación

maxminmin ZLZMaxSM VIIRE

max

maxmax

max

minmax

maxmin

L

ZZ

ZM

LZ

ZMS

R

VI

VE

II

VER

El problema tendría una solución si maxmin SSS RRR , es decir, los límites

impuestos a E y a RL son compatibles con los límites de funcionamiento Zmín e Zmáx

del diodo.

En la práctica se puede tomar 2

maxmin ssS

RRR

.

Resolución Gráfica

Sabemos que ZLZ VI )( R E S e L

Z

R

VIL ; ZLSZS VIRIRE luego

L

SZZZS

R

RVVIRE

L

SZZS

R

RVIRE 1 despejando Z

S

L

S

Z

S

ZR

R

RV

R

EI

1

Que representa la ecuación de una recta, que se llama recta de carga.

Consideraremos dos casos:



100

1ER

Caso Para E = Em y RL = RLmín

Si tomamos la ecuación de recta de carga y hacemos Z = 0 tenemos:

min

1L

S

mZ

R

R

EV

Ahora hacemos VZ = 0 obtener S

mZ

R

EI , el punto de funcionamiento es el punto A

en la figura 79.

2do

Caso Para E = EM y RL = RLmáx

Tomando la ecuación de la recta de carga y haciendo Z = 0 tenemos:

max

1L

S

MZ

R

R

EV

Ahora hacemos VZ = 0 obtener S

MZ

R

EI , el punto de funcionamiento es el punto B

en la figura 79.



101

Fig. 79 Análisis Gráfico de Rs

Existen otros casos: que toman los valores de VZ comprendidos entre

maxmin ZZZ VVV y los valores de RL comprendido entre maxmin LLL RRR .

Ejemplo

A.- Se quiere construir un circuito regulador de tensión que entregue a la salida una

tensión de 5,1 V, sabiendo que la carga consume una ILmáx = 100 mA, siendo ILmín =

0 y que dispone de una alimentación que varía entre 9 V y 10 V. Los diodos zener

de que se dispone son los que se muestran en la siguiente tabla escoger el que

corresponda para el diseño del circuito.



102

Solución:

Si se elige Z1:

Si se abre la carga por el zener irían 105 mA y como IZmáx = 78 mA no podría

funcionar, se quemaría y se dañaría no la resistiría.

Si probamos con Z2:



103

Veamos si es suficiente esa corriente, el peor de los casos es suponer que ILmáx = 100

mA.

Si abrimos la carga los 150 mA van por el zener y como este soporta hasta 294 mA si

serviría, el Z2 es el adecuado. Ahora elegiremos la resistencia (R).

Tenemos dos puntos importantes para analizarlos:

Peligro de que el zener se quede sin corriente

Suposiciones críticas para ese punto:



104

26

10050

1,59

maxmin

min

mAmAII

vvR

LZ

Zi

Peligro de que el zener se queme

26,13

0294

1,59

minmax

max

mAmAII

vvR

LZ

Zi

Entonces la resistencia esta entre estos dos valores:

2626,13 R

Cualquier valor entre estos dos valores valdría, tomamos por ejemplo: R = 22Ω

Vemos que ocurre en los 2 casos extremos:



105

Ahora que sabemos en que zona trabaja el zener tenemos que calcular de qué

potencia elegimos esa resistencia.

Peor caso: IZ = 222 mA P = (10-5,1)*222·10-3

= 1,08 W

Se escoge un valor normalizado de 2 W.

Ahora vamos a ver el rango de valores por el que mueve la resistencia de carga (RL):`

)(0min

vacioRmAI LL 51100

1,5100

maxmA

VRmAI LL

Calculo de la Recta de carga: Tomaremos el convenio de la figura con lo que nos

saldrán la intensidad y la tensión negativas (en el tercer cuadrante).



106

Punto A

Punto B

Finalmente la representación gráfica de esas ecuaciones queda de la siguiente

manera:



107

Las dos rectas de carga son paralelas. Los demás puntos están entre esas dos rectas

paralelas.

8.- Circuito Sujetador de Nivel (CLAMP CIRCUITS)

En ciertas aplicaciones se requiere que la señal, sin perder su forma de onda original,

se mantenga confinada sobre o bajo un voltaje especificado de umbral; para el

propósito se agrega a la señal un nivel continuo tal que impida que sus “PICOS”

excedan el umbral especificado. La función es normalmente realizada en base a

diodos.

Fig. 80 Circuito Sujetador de Nivel



108

El circuito de la figura 80 enclava los picos positivos de la señal de entrada en -5V

(tensión de la fuente continua).

Considerando el diodo como ideal y el condensador muy grande, las excursiones

positivas de VS(t) cargan el condensador al valor pico, a través de la conducción del

diodo. Al disminuir la tensión de entrada el diodo asume estado apagado (circuito

abierto) y la salida estará dada por:

Vo(t)= VS(t ) - VC

Fig. 81 Señal de Entrada y Salida de un Circuito Sujetador de Nivel

Suponiendo un valor de VS(t)= 10sen(wt) para el ejemplo anterior.



109

Es posible naturalmente producir el enclavamiento en diferentes combinaciones de

pico enclavado (positivo o negativo) y el voltaje al cual se enclava (positivo o

negativo), por medio de diferentes polaridad de la batería y orientación (sentido) del

diodo.

Como criterio de diseño inicial se elige el producto RC (constante de tiempo) en un

orden de magnitud mayor que el período de la señal de entrada (T = 2/w).



110

CAPÍTULO V

TEORÍA DE LOS

TRANSISTORES BJT



111

CAPÍTULO V

TEORÍA DEL TRANSISTOR BJT

El transistor es un dispositivo semiconductor de tres terminales que generalmente

actúa como amplificador de corriente.

Existen cuatro modelos fabricados con diferente tecnología, y con características y

propiedades físicas bastantes diferentes, ellos son:

Transistor Bipolar: Son de doble unión de tres terminales, y es controlado por

corriente.

Transistor FET: Son de efecto de campo, unipolar que opera como un

dispositivo controlado por voltaje.

Transistor MOSFET: Es un FET de metal –oxido semiconductor.

Transistor UJT: Monounión, usado esencialmente como interruptor de

enganche.

Este capítulo se basará en los aspectos relacionados con los transistores bipolares

1.- Estructura De Un Transistor Bipolar

El transistor es un dispositivo semiconductor de tres capas que consiste de dos capas

de material tipo n y una capa tipo p, o bien, de dos capas de material tipo p y una tipo

n. al primero se le llama transistor npn, en tanto que al segundo transistor pnp.

Para la polarización las terminales que se muestran en la figura 82 las terminales se

indican mediante las literales E para el emisor, C para el colector y B para la base. La

abreviatura BJT, de transistor bipolar de unión (del ingles, Bipolar Junction

Transistor), suele aplicarse a este dispositivo de tres terminales. El término bipolar

refleja el hecho de que los huecos y los electrones participan en el proceso de



112

inyección hacia el material polarizado de forma opuesta. Si sólo se utiliza un portador

(electrón o hueco), entonces se considera un dispositivo unipolar.

La representación gráfica de la estructura física y su símbolo es como se muestra en

la figura 82.

Fig. 82 Estructura de los transistores BJT

El Emisor el cual esta fuertemente dopado, la Base esta ligeramente dopada y es más

angosta. Y el Colector esta dopado en forma intermedia.

Los transistores bipolares vienen empacados en:

Cápsulas metálicas: Los que disipan mayor potencia, > 5 w

Cápsulas plásticas: Los de baja potencia

2.- Modos De Operación

Estos transistores por presentar dos uniones pueden tener en cada una de ellas dos

tipos de polarización directa e inversa. Dependiendo de cómo estén polarizadas las



113

uniones se tendrán los modos de operación como se puede observar en la siguiente

tabla.

Se describirá la operación básica del transistor utilizando el transistor pnp de la figura

82 la operación del transistor npn es exactamente la misma que si intercambiaran la

funciones que cumplen el electrón y el hueco. Se realizará el estudio en el modo

activo para trabajar al transistor como amplificador, y para ello se muestra las

polarizaciones, tanto para un NPN como para un PNP. El espesor de la región de

agotamiento se redujo debido a al polarización aplicada, lo que da por resultado un

flujo muy considerable de portadores mayoritarios desde el material tipo p hacia el

tipo n, mientras que la región de agotamiento de la otra unión aumenta debido a la

polarización en inverso.

Al tener estas uniones polarizada de la manera indicada habrá una gran difusión de

portadores mayoritarios a través de la unión p-n con polarización directa hacia el

material tipo n. Así, la pregunta sería si acaso estos portadores contribuirán de forma

directa a la corriente de base IB o si pasarán directamente al material tipo p. Debido a

que el material tipo n del centro es muy delgado y tiene baja conductividad, un

número muy pequeño de estos portadores tomará esta trayectoria de alta resistencia

hacia la terminal de la base.

La magnitud de la corriente de base casi siempre se encuentra en el orden de los

microamperes (μA), comparando con miliamperes (mA) para las corrientes del



114

emisor y del colector. La mayor cantidad de estos portadores mayoritarios se

difundirá a través de la unión con polarización inversa, hacia el material tipo p

conectado a la terminal del colector. La razón de esta relativa facilidad con la cual los

portadores mayoritarios pueden atravesar la unión con polarización inversa se

comprenderá con facilidad si se considera que para el diodo con polarización inversa,

los portadores mayoritarios inyectados aparecerán como portadores con polarización

inversa, los portadores mayoritarios inyectados aparecerán como portadores

minoritarios en el material tipo n.

En otras palabras, tuvo lugar una inyección de portadores minoritarios al material de

la región de la base tipo n. A la combinación de esto con el hecho de que todos los

portadores minoritarios en la región de agotamiento atravesarán la unión con

polarización inversa de un diodo puede atribuírsele el flujo.

A lo largo de este capítulo todas las direcciones de corriente harán referencia al flujo

convencional (huecos) en lugar de hacerlo respecto al flujo de electrones. Para el

transistor la flecha en el símbolo gráfico define la dirección de la corriente del emisor

(flujo convencional) a través del dispositivo. Ver Figura 82



115

Fig. 83 Polarización de los transistores BJT

3.- Configuraciónes Del Transistor

3.1-Configuración Base Común (B-COM).

Para la configuración de base común con transistores PNP y NPN. La terminología de

la base común se deriva del hecho de que la base es común tanto a la entrada como a

la salida de la configuración. A su vez, por lo regular la base es la terminal más

cercana a, o que se encuentra en, el potencial de tierra.

Fig. 84 Configuración Base Común

Para el comportamiento de un dispositivo de tres terminales, como los amplificadores

de base común se requiere de dos conjuntos de características, una para los

parámetros de entrada y la otra para los parámetros de la salida. El conjunto de



116

entrada para el amplificador de base común relacionará la corriente de entrada (IE)

con la tensión de entrada (VBE) en función de la tensión de salida (VCB). El conjunto

de características de la salida relaciona la corriente de salida (IC) con la tensión de

salida (VCB) en función de la corriente de entrada (IE). Allí encontramos las tres

regiones básicas de operación.

Fig. 85 Característica de Entrada y Salida de la Configuración Base Común NPN

En el extremo más bajo de la región activa, la corriente del emisor (IE) es cero; esa no

es la verdadera corriente del colector, y se debe a la corriente de saturación inversa

ICO.

La corriente ICO real es tan pequeña (microamperes) en magnitud si se compara con la

escala vertical de IC = 0. Las condiciones del circuito que existen cuando IE = 0 para

la configuración de base común se muestra en la figura 86. La notación que con más

frecuencia se utiliza para ICO en los datos y las hojas de especificaciones es, ICBO.

Fig. 86 Transistor NPN con el Emisor Abierto



117

Debido a las mejoras en las técnicas de fabricación, el nivel de ICBO para los

transistores de propósito general (en especial los de silicio) en los rangos de potencia

baja y mediana, por lo regular es tan bajo que puede ignorarse su efecto. Sin

embargo, para las unidades de mayor potencia ICBO, así como IS, para el diodo (ambas

corrientes de fuga inversas) son sensibles a la temperatura. A mayores temperaturas,

el efecto de ICBO puede convertirse en un factor importante debido a que aumenta

muy rápidamente con la temperatura.

3.2-Configuración Emisor Común (E-COM)

Se le denomina configuración de emisor común debido a que el emisor es común o

hace referencia a las terminales tanto de entrada como de salida (en este caso, es

común tanto a la terminal de base como a la de colector). Una vez más, se necesitan

dos conjuntos de características para describir por completo el comportamiento de la

configuración de emisor común: uno para el circuito de entrada o base-emisor que

relacionará la corriente de entrada (IB) con la tensión de entrada (VBE) en función de

la tensión de salida (VCE). El conjunto de características de la salida relaciona la

corriente de salida (IC) con la tensión de salida (VCE) en función de la corriente de

entrada (IB).

Fig. 87 Configuración Emisor Común



118

Fig. 88 Característica de Entrada y Salida de la Configuración Emisor Común NPN

3.3.-Configuración Colector Común (C-COM) o Configuración Emisor

Seguidor.

La configuración de colector común se utiliza sobre todo para propósitos de

acoplamiento de impedancia, debido a que tiene una alta impedancia de entrada y una

baja impedancia de salida, contrariamente a las de las configuraciones de base común

y de un emisor común.

La figura 89 muestra una configuración de circuito de colector común con la

resistencia de carga conectada del emisor a la tierra. Obsérvese que el colector se

encuentra conectado a la tierra aunque el transistor esté conectado de manera similar

a la configuración del emisor común. Desde un punto de vista de diseño, no se

requiere de un conjunto de características de colector común para elegir los

parámetros del circuito. Puede diseñarse utilizando las características de salida para la

configuración de colector común son la mismas que para la configuración de emisor

común.



119

Fig. 89 Configuración Colector Común o Emisor Seguidor

No importa la configuración, si al transistor se quiere trabajar en un modo en

particular, se deben realizar las polarizaciones correspondientes.

4.- Curva Características

Los transistores, se estudian y analizan a través de sus curvas características; con

ellas se puede conocer el comportamiento o funcionamiento eléctrico del elemento,

expresándose las relaciones gráficas de las corrientes IB, IE e IC en función de las

tensiones exteriores aplicadas y para cualquiera de las configuraciones en que puede

ser empleado el transistor E-COM, B-COM ó C-COM.

Las curvas no son universales, cada tipo concreto de transistor, tiene las suyas,

normalmente diferentes de los demás, aunque semejante en forma.

Las curvas dadas por el fabricante representa la características media de una serie de

fabricación con un elevado número de unidades.

Existen dos (2) familias de curvas de especial importancia y son, la de entrada y la de

salida.

1. Las curvas de entrada: Expresan gráficamente la relación entre la corriente de

base (IB) y la tensión Base-Emisor (VBE) para una tensión colector-Emisor

constante. Con ellas se puede calcular la corriente que circula por la base



120

cuando se aplica una tensión externa entre está y el emisor. Ellas se

corresponde con las curvas del diodo de unión con polarización directa.

2. Las curvas de salida: Expresan la relación entre la corriente de colector (Ic)

para una tensión colector- Emisor (VCE), cuando IB se mantiene constante.

En estas curvas se pueden identificar tres regiones de operación del transistor las

cuales son:

a.- Región Activa o Lineal: Está ubicada por encima de la tensión C-E en 0,7V,

donde las curvas características son casi constantes, es decir, IC aumenta ligeramente

a medida que VCE aumenta, en esta zona IC depende de IB. En esta región el transistor

trabaja como amplificador.



121

b.- Región de Saturación: Esta ubicada por debajo de VCE = 0.7V, donde las curvas

se unen; en esta región se tiene que IC aumenta rápidamente para pequeñas

variaciones de VCE, Cuando VCE cae por debajo de VBE, se tendrá que VCB es negativa

( VCB = VCE – VBE) y polariza directamente a la unión C-B, entrando el transistor a

saturación.

c.- Región de Corte: Se ubica para una corriente IB = 0 para este caso la corriente de

colector IC es muy pequeña, igual a la corriente de fuga ICEO.

5.- Relación De Corrientes

Por definición IE = IB + IC

IC = IE + ICBO

: Es una constante de proporcionalidad, es decir, una proporción de la corriente de

emisor en el colector, También conocida como GANANCIA DE CORRIENTE

BAJO LA CONFGIGURACIÓN DE BASE COMÚN. La cual siempre tiene un

valor < 1.

IE = f (IB) → Ie = IB + IE + ICBO

Si ICBO 0 IE = IB + IE

1

B

E

II

)( BC IfI CBOEC III

Si ICBO 0

EC II E

C

I

I

Como

1

BE

II BC II

1 DONDE

1B

C

I

I

: Factor de amplificación de corriente, conocido comúnmente como GANANCIA

DE CORRIENTE BAJO LA CONFIGURACIÓN EMISOR COMÚN.



122

Se puede conseguir a través de las curvas características del fabricante

normalmente su valor oscila entre 50 y 400.

1 Y

1

6.- Polarización Del Transistor

6.1.- POLARIZACIÓN FIJA.

RB = Resistencia de la Base

RC = Resistencia del Colector

VCC = Tensión de alimentación

IB = Corriente de base

IC = Corriente de Colector

Fig. 90 Circuito Con polarización Fija

El análisis del circuito de polarización se realiza en forma separada, es decir, se

considerará primero el circuito de entrada (Base – Emisor) y luego el circuito de

salida (Colector –Emisor).

Circuito De Entrada.

En la figura 91 se muestra el circuito base-emisor, del cual se obtiene la siguiente

ecuación:



123

0* BEBBCC VRIV

Donde:

B

BECCB

R

VVI

Fig. 91 Circuito De Entrada

Como los valores del voltaje de VCC y VBE son fijos, la selección de un resistor de

polarización de base fija el valor de la corriente de la base IB.

Circuito De Salida.

En la figura se muestra el circuito de colector –emisor, del cual se obtiene la siguiente

ecuación:

0* CECCCC VRIV

Fig. 92 Circuito De Salida



124

En la región activa la corriente de colector se relaciona con la corriente de base a

través de la ganancia de corriente del transistor o hFE y se expresa da la siguiente

forma:

BC II *

Donde la corriente de base se ha calculado a través del circuito de entrada; se puede

observar que la corriente de colector (IC), solo depende de la corriente de base y no de

la resistencia RC en el circuito de salida.

Conociendo a IC por IB, entonces se puede calcular a VCE como sigue:

CCCCCE RIVV *

El calculo de IC, VCE e IB representan el punto de trabajo (Q) del transistor en

corriente continua (DC).

Ejemplo.

Calcular los voltajes y corrientes de polarización en CD para el circuito mostrado

sabiendo que = 50

Fig. 93 Ejemplo de un Circuito Con polarización Fija

SATURACIÓN DEL TRANSISTOR:

Siempre y cuando el transistor este trabajando en su región activa o lineal se cumple

BC II * , pero si el transistor se encuentra en la región de Saturación ya esta



125

ecuación no se valida. Se debe recordar que, si el transistor trabaja en la región activa,

la unión base- emisor debe estar polarizada en directa y la unión colector –base en

inverso, esto es cierto sólo si el voltaje VCE > VBE. Como VCE = VCC – IC * RC que

VCC > IC *RC para que el transistor este activo, es decir, C

CCC

R

VI . Si IC se hace

mayor o igual a C

CC

R

V, el transistor está operando en la región de saturación. En este

caso el valor de C

CESATCC

CR

VVI

, siendo VCESAT = 0V ó 0.3V y

B

BECCB

R

VVI

.

Si el circuito se necesita como amplificador, no se debe esperar que el transistor este

en la zona de saturación.

CORTE DEL TRANSISTOR:

Cuando el transistor está trabajando en la región de corte, la corriente IB = 0 IC= 0

y VCE = VCC. Región no deseada para el transistor cuando se quiere trabajar como

amplificador.

6.2.- POLARIZACIÓN CON RESISTENCIA EN EL EMISOR

Este circuito brinda una mejor estabilidad de polarización que el circuito de

polarización fija, ya que en éste BC II * y varía hasta para el mismo tipo de

transistor, es decir, si se cambia el transistor por uno del mismo tipo la corriente IC

variará aún con IB constante.

RC =Resistencia de colector

RE =Resistencia de emisor

RB =Resistencia de base

IE = Corriente de emisor

IC = Corriente de colector



126

IB = Corriente de base

Fig. 94 Circuito Con polarización con resistencia en el emisor

Circuito De Entrada:

Se tiene que 0** EEBEBBCC RIVRIV por definición CBE III e

BC II * , por lo tanto BBBE IIII *)1(* entonces sustituyendo

tenemos:

0**)1(* BEBEBBCC IRVRIV

Donde EB

BECCB

RR

VVI

*)1(

e BC II * .

Fig. 95 Circuito de entrada polarización con resistencia en el emisor

Circuito De Salida:

Se tiene que

0** EECECCCC RIVRIV como

EC II * tenemos



127

)(

ECCCCCE

RRIVV al igual que en el caso anterior el punto de trabajo (Q)

viene dado por los valores de IC, VCE e IB.

Fig. 96 Circuito de entrada polarización con resistencia en el emisor

Ejemplo.

Calcular los valores de Ic, IB y VCE sabiendo que = 50

Fig. 97 Ejemplo Circuito de entrada polarización con resistencia en el emisor

Resultados:



128

IB = 40,12A; IC = 2.01mA; VCE = 13.94V

COMPARACIÓN

Como se mencionó anteriormente, al agregar la resistencia de emisor a la

polarización de CD mejorará la estabilidad de está, es decir, las corriente y voltajes de

polarización de CD se mantienen más cercanos a los puntos donde fueron fijados por

el circuito, aún cuando cambie el valor de del transistor.

Para el ejemplo anterior si se cambia a 100 tendremos los siguientes resultados:

IB = 36.27A; IC = 3.62mA; VCE = 9.08 V

IB (A) IC (mA) VCE (V)

50 40.12 2.01 13.94

100 36.27 3.62 9.08

IC cambia casi un 50% para un cambio de al 100%. El decremento de IB ayuda a

mantener IC o al menos reducir al cambio total de IC con .

6.3.- CIRCUITO DE POLARIZCAIÓN DC INDEPENDIENTE DE .

En los circuitos de polarización de CD analizados anteriormente, se tenía que los

valores de corriente y voltajes de polarización del colector dependían de . Debido a

este problema se hizo necesario un circuito de polarización independiente de ,

recordando de que es sensible a la temperatura (sobre todo si el transistor es de

Silicio Si) y además su valor nominal no esta bien definido. El circuito que se

muestra en la figura 98, cumple con la condición de que su polarización es

independiente de , También conocido como Circuito de Polarización por Divisor

de Tensión.

Para el análisis del circuito se sigue el procedimiento descrito en los circuitos

anteriores; Primero se trabaja con el circuito o malla de entrada y luego con el de

salida.



129

Fig. 98 Circuito de polarización por divisor de Tensión

Circuito O Malla De Entrada

Si la resistencia que se observa desde la base (RB) es mayor que la resistencia R1,

entonces el voltaje de la base se ajusta mediante el divisor de voltaje de R1 y R2; si

esto es cierto, la corriente que circula a través de R2 pasa casi por completo por R1 y

las dos resistencias pueden considerarse efectivamente en serie.



130

Fig. 99 Circuito de Polarización por Divisor de Tensión malla de Entrada

Si RB >> R1

I1 I2

Entonces el voltaje en la unión de las resistencias, que es también el voltaje de la base

del transistor, se determina simplemente por un divisor de voltaje de R1 y R2, y el

voltaje de alimentación; por lo tanto obtendremos que:

21

1 *

RR

VRV cc

BB

Y 21 // RRRB

Dando como resultado el siguiente circuito:



131

Fig. 100 Circuito de Polarización por Divisor de Tensión Simplificado

Recorriendo la malla de entrada tenemos:

0** EEBEBBBB RIVRIV

Como BBBCBE IIIIII *)1(*

Entonces:

EB

BEBBB

EBBBEBB

RR

VVI

RRIVV

)1(

])1([

Para que las corrientes no dependan de , por lo general se considera que (1+)RE

>> RB, entonces: E

BEBBB

R

VVI

)1(

como Ic = IB y como (1+) entonces:

E

BEBB

E

BEBBC

R

VV

R

VVI

)(.



132

Circuito De Salida.

Fig. 101 Circuito de Polarización por Divisor de Tensión Malla de Salida

La ecuación de salida es:

0** EECECCCC RIVRIV

EcCCCCE

RRIVV

CONDICION DE SATURACIÓN

VCESAT = 0 ó 0.3V EC

CSESATCCCSAT

RR

VVI

e

CSAT

BSAT

II

CONDICIÓN DE CORTE

IB = 0, IC = 0 Y VCE = VCC

EJEMPLO

Hallar el punto de operación del siguiente circuito sabiendo que VBE = 0,7V y

considerando un = 70 y 140.



133

KKK

KKRB 55.3

399.3

39*9.3

V

KK

VKVBB 2

399.3

22*9.3

Transformando el circuito de entrada tenemos:

Circuito de entrada:



134

EB

BEBBB

EBBBEBB

RR

VVI

RRIVV

)1(

])1([

Para =70

AKK

VVI B 81.11

5.1*7155.3

7.02

mAAII BC 8268.081.11*70*

Para = 140

AKK

VVI B 045.6

5.1*14155.3

7.02

mAAII BC 846.0045.6*140*

Circuito de salida.

Para =70

EcCCCCE

RRIVV ; 9859.0

71

70

VK

KmAVVCE 47.129859.0

5.1108268.022

Para =140

9929.0141

140

VK

KmAVVCE 26.129929.0

5.110846.022

IB (A) IC (mA) VCE (V)



135

70 11.81 0.8268 12.47

140 6.045 0.846 12.26

6.4.- CIRCUITO DE POLARIZACIÓN EN CD CON REALIMENTACIÓN DE

TENSIÓN DE COLECTOR.

Además de la resistencia de emisor para mejorar la estabilidad del punto de

operación (Q), una retroalimentación de voltaje se le suma a esta mejora. El circuito

de la figura 102 muestra este tipo de polarización.

Fig. 102 Circuito de Polarización con Realimentación de Tensión

Circuito o malla de entrada:

0*** EEBEBBCCC RIVRIRIV

BEBC IIIIII *)1(

0*)(**)1( BEBBECBCC VRIRRIV



136

))(1( ECB

BECCB

RRR

VVI

BC II *

Circuito de salida:

0** EECECCC RIVRIV EII

)(* ECECCCE RRIVV

7.- ANÁLISIS GRÁFICO DE POLARIZACIÓN EN CD

Existe una técnica gráfica para mostrar la ubicación del punto de trabajo de un

circuito con transistor, ésta técnica se basa en dibujar una recta llamada recta de carga

de CD, la cual se consigue con la ecuación de salida del circuito; esta ecuación se va

a representar sobre los ejes de las curvas de salida, que relacionan la corriente de

colector (IC) con la tensión Colector-Emisor (VCE) si se trata de una Configuración

Emisor Común.

PASOS A SEGUIR PARA LA GRAFICACIÓN.

Circuito Autopolarizado.



137

Fig. 103 Circuito Autopolarizado

Se busca la ecuación de salida del circuito:

ECCCCCE

RRIVV

Se dibuja la ecuación de salida sobre la curva característica de salida del

transistor de la siguiente forma:

1. Se hace IC = 0 para conseguir el punto de corte en VCE quedando que

VCE = VCC.

2. Se hace VCE = 0 para conseguir el punto de corte en IC quedando que

E

C

CCc R

R

VI

si se considera que IC IE EC

CCc

RR

VI

3. Uniendo los dos puntos se consigue la recta de carga de CD.



138

Fig. 104 Recta de Carga en Continua

Se puede observar que la recta de carga en CD solo depende de VCC, RC y RE; la

pendiente depende de RC y RE y es el inverso de la resistencia de salida en CD.

Si los valores de RC y RE varían, la pendiente de la recta de carga también variará. En

la figura 105 se puede observar como varía la pendiente de la recta para las

variaciones de (RC + RE).

Fig. 105 Recta de Carga en Continua para las Variaciones de RC y RE



139

También el cambio de voltaje VCC moverá la recta de carga de CD en forma paralela,

pero manteniendo la pendiente, tal como se muestra en la figura 106.

Fig. 106 Recta de Carga en Continua para las Variaciones VCC

Debido que la operación del circuito depende tanto de las características del

transistor, como de los elementos del circuito, la graficación de ambas curvas (las

características del transistor y la recta de carga de CD) sobre una gráfica permite la

determinación del punto de operación (Q) del circuito. La recta de carga de CD

describe todos los valores posibles de voltaje y corriente en la sección de colector-

emisor del circuito.



140

Fig. 107 Recta de Carga en Continua sobre la característica de Salida del Transistor

8.- EL TRANSISTOR COMO INTERRUPTOR

Un transistor funciona como un interruptor para el circuito conectado al colector (RC)

si se hace pasar rápidamente de corte a saturación y viceversa. En corte es un

interruptor abierto y en saturación es un interruptor cerrado. Los datos para calcular

un circuito de transistor como interruptor son: el voltaje del circuito que se va a

encender y la corriente que requiere con ese voltaje. El voltaje VCC se hace igual al

voltaje nominal del circuito, y la corriente corresponde a la corriente ICSAT. Se calcula

la corriente de saturación mínima, luego la resistencia de base mínima:

CSAT

BSAT

II min

min

max

BSAT

ONB

I

VR

Donde Von es el voltaje en la resistencia de base para encender el circuito, el circuito

debe usar una RB por lo menos 4 veces menor que RBmax.



141

Adicionalmente se debe asegurar un voltaje en RB de apagado VOFF que haga que el

circuito entre en corte.

La principal aplicación de transistor como interruptor es en los circuitos e integrados

lógicos, allí se mantienen trabajando los transistores entre corte o en saturación, en

otro campo se aplican para activar y desactivar relés, en este caso como la carga es

inductiva (bobina del relé) al pasar el transistor de saturación a corte se presenta la

"patada inductiva" que al ser repetitiva quema el transistor se debe hacer una

protección con un diodo en una aplicación llamada diodo volante.

Fig. 108 El Transistor NPN como Interruptor (a) Circuito Apagado (b) Circuito Encendido

Fig. 109 Circuito para el accionamiento de un relé



142

BIBLIOGRAFÍA

- Paúl M. Chirlian Análisis y Diseño de Circuitos Electrónicos. McGraw-Hill.

2da edición. 1970

- Adel S. Sedra y Kenneth C. Smith Microelectronic Circuits. Oxford. 1998.

- Adel S. Sedra y Kenneth C. Smith. Dispositivos Electrónicos y

Amplificación de Señales. McGraw-Hill. 1989.

- Robert Boylestad. Electrónica. Prentice Hall

- Donald Neamen. Análisis y Diseño de Circuitos Electrónicos. McGraw-

Hill. 2001



143

Ejercicios Propuestos

Ejercicio 1

En el circuito regulador de tensión de la figura se tienen: VCC= 6.3 V, Rs=12,

VZ=4.8V, rz=0. La corriente por el diodo Zener debe limitarse al rango: 5 mA Iz

100 mA.

a) Determinar el intervalo de corrientes de carga y resistencias de carga posibles

b) Calcular la potencia nominal requerida para el diodo.

Ejercicio 2

Determinar los valores de RL de modo que el Zener trabaje en la región de ruptura.

Suponer Izmín = 0.1 Izmáx. Vz=10 V, Pzmáx = 400 mW, rz = 0

Ejercicio 3

El diodo Zener de la figura regula una tensión fija entre sus terminales siempre que Iz

se mantenga entre 200 mA y 2 A. (rz = 0 )

a) Calcular el valor de Rs de modo que la tensión de salida Vo se mantenga en 18V

mientras la tensión de entrada Vcc pueda variar entre 22 V hasta 28V.

b) ¿Cuál será la máxima potencia disipada por el diodo?

Iz IL



144

Ejercicio 4

El circuito regulador Zener mostrado utiliza un diodo de 9 V (rz = 0 ). La tensión

de entrada varía entre 16 V y 25 V y la corriente por la carga varía entre 100 mA y

800 mA.

a) Calcular el valor de Rs

b) Determinar el margen de potencia por el Zener

c) ¿Cuál será la variación pico a pico en la salida si rz =5 ?

Ejercicio 5

Analizar el funcionamiento del circuito y dibujar la tensión de salida Vo(t).

Ejercicio 6

Para el circuito de la figura considerando que el diodo puede representarse por un

modelo lineal con V = 0 V y Rd =25 , determinar:

a) la corriente media por la carga RL y por el diodo

b) la tensión media sobre la carga y sobre el diodo



145

c) la corriente y tensión eficaz sobre la carga

d) el factor de rizado

e) la tensión inversa de pico que soporta el diodo

f) el rendimiento de rectificación %

g) ¿Es un buen circuito rectificador? Justificar

Ejercicio 7

El rectificador mostrado se utiliza como cargador de baterías. La capacidad de

la batería es de 100 Watts hora y su tensión es 24 V. La corriente de carga

promedio es Icc = 5 A. La tensión de entrada es de 60 Vef. a 60 Hz. Calcular el

ángulo de conducción del diodo, la resistencia R de limitación de corriente, la

potencia disipada por R, el tiempo de carga h en horas, la eficiencia de

rectificación y la tensión inversa que debe soportar el diodo

Ejercicio 8

Para los circuitos mostrados (rectificador de onda completa con punto medio y

rectificador de onda completa tipo puente) los diodos se pueden representar por un

modelo lineal con V = 0 V y Rd= 25 . Determinar:

a) la corriente media por la carga RL y por el diodo

b) la tensión media sobre la carga y sobre el diodo

c) la corriente y tensión eficaz sobre la carga

d) el factor de rizado

e) la tensión inversa de pico que soporta el diodo

f) el rendimiento de rectificación %

.



146

g) Comparar las características de cada circuito.

Ejercicio 8

Analizar en el siguiente circuito las variaciones de vo(t) y de la corriente por los

diodos al variar C. Considerar C= 1 F, C= 10 F, C= 100 F.

¿Cómo conviene que sea C? ¿Qué inconveniente presenta hacer C muy grande?

Ejercicio 9

El circuito anterior se modifica agregando un regulador Zener. Analizar el

funcionamiento del circuito. Dibujar las tensiones Vi, vs y Vo.



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Ejercicio 10

Determinar el rango de valores de Vcc que mantendrá la tensión sobre la carga Vo= 8

V sin exceder el valor máximo de potencia del diodo Zener. (rz = 0)

Ejercicio 11

Se debe diseñar un regulador de tensión de modo de mantener una tensión de salida

de 20 V para una carga de 1 K. Se sabe que la tensión de entrada tendrá una

variación entre 30 V y 50 V. Determinar el valor de Rs y la corriente por el Zener.

Suponer rz=0 .

Ejercicio 12

Analizar el funcionamiento del circuito, dibujar vo(t). ¿Podría usarse el circuito como

rectificador? Justificar. Calcular la tensión continua disponible.

Vi = 12 V sen wt,

f=60Hz



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100V

-100V

Ejercicio 13

A un circuito rectificador de media onda se le aplican 10V eficaces y se lo carga con

RL. Suponiendo para el diodo un modelo lineal por tramos representado en directa

por V = 0 V y Rd= 20 , y en inversa con Is= 0.075 A constante:

a) Obtener la expresión del valor medio de la tensión sobre la carga en función

de RL.

b) Calcular para RL= 1 K, 50 K, 1 M. Comparar resultados.

c) Repetir considerando que V = 0.6V en lugar de V = 0V. Analizar resultados.

Ejercicio 14

Analizar el funcionamiento del siguiente circuito rectificador de salida

complementaria, considerando vi1= vi2 = 12 V sen wt (f=50 Hz). Dibujar las formas

vi



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de onda de vo1 y vo2. ¿Cuánto vale la tensión inversa de pico sobre cada diodo?

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA · Fig. 25 Modelo lineal por tramos de la característica...

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