1. DispositivosElectrnicosOCTAVA EDICINFLOYD

2. DISPOSITIVOSELECTRNICOSOctava edicinThomas L. FloydTRADUCCINRodolfo Navarro SalasUniversidad Nacional Autnoma de MxicoREVISIN TCNICAFrancisco Rodrguez RamrezFacultad de IngenieraUniversidad Nacional Autnoma de MxicoAgustn Vzquez SnchezCoordinador del Departamento de FsicaInstituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de MonterreyCampus Estado de Mxico 3. Datos de catalogacin bibliogrficaFLOYD, THOMAS L.Dispositivos electrnicosOctava edicinPEARSON EDUCACIN, Mxico, 2008ISBN: 978-970-26-1193-6rea: IngenieraFormato: 21 27 cm Pginas: 1008Authorized translation from the English language edition, entitled Electronic devices, 8th edition by Thomas L. Floyd, published by PearsonEducation, Inc., publishing as Prentice Hall, Copyright 2008. All rights reserved.ISBN 0-13-242973-XTraduccin autorizada de la edicin en idioma ingls titulada Electronic devices, 8th edition por Thomas L. Floyd, publicada por PearsonEducation, Inc., publicada como Prentice Hall, Copyright 2008. Todos los derechos reservados.Esta edicin en espaol es la nica autorizada.Edicin en espaolEditor: Luis Miguel Cruz Castilloe-mail: luis.cruz@pearsoned.comEditor de desarrollo: Bernardino Gutirrez HernndezSupervisor de produccin: Jos D. Hernndez GarduoEdicin en inglsEditor-in-Chief: Vernon AnthonyEditorial Assistant: Lara DimmickProduction Editor: Rex DavidsonProduction Manager: Matt OttenwellerDesign Coordinator: Diane ErnsbergerCover Designer: Linda Sorrells-SmithCover Photo: Getty ImagesArt Coordinator: Janet PortischDirector of Marketing: David GesellMarketing Assistant: Les RobertsOCTAVA EDICIN, 2008D.R. 2008 por Pearson Educacin de Mxico, S.A. de C.V.Atlacomulco 500, 5 pisoCol. Industrial Atoto53519, Naucalpan de Jurez, Estado de MxicoCmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. Nm. 1031.Prentice Hall es una marca registrada de Pearson Educacin de Mxico, S.A. de C.V.Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de esta publicacin pueden reproducirse, registrarse o transmitirse, por un sistema derecuperacin de informacin, en ninguna forma ni por ningn medio, sea electrnico, mecnico, fotoqumico, magntico o electroptico,por fotocopia, grabacin o cualquier otro, sin permiso previo por escrito del editor.El prstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesin de uso de este ejemplar requerir tambin la autorizacin del editor o de susrepresentantes.ISBN 10: 970-26-1193-8ISBN 13: 978-970-26-1193-6Impreso en Mxico. Printed in Mexico.1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 11 10 09 08 4. DEDICATORIAUna vez ms, a Sheilacon amor 5. PREFACIOEsta nueva edicin de Dispositivos Electrnicos ha sido revisada con sumo cuidado para hacer eltexto ms fluido, ms claro y amplio: se han incorporado muchas recomendaciones de revisoresy usuarios, y se abordan los dispositivos y circuitos electrnicos, incluida una extensa solucinde fallas y aplicaciones. Los captulos del 1 al 11 estn dedicados esencialmente a dispositivos ycircuitos discretos; los captulos del 12 al 18 se ocupan principalmente de circuitos integrados li-neales.Se incluyen extensos ejercicios y problemas, muchos de ellos resueltos por medio desimulacin de circuitos Multisim, diseados para el conocimiento de los estudiantes de la teorade circuitos y para desarrollar habilidades de solucin de fallas y medicin. Los archivos de cir-cuitosMultisim en versiones 8 y 9 se encuentran en el CD-ROM incluido con este libro. Versionesms recientes de estos archivos se pondrn en el sitio Web www.pearsoneducacion.net/floyd amedida que estn disponibles.Lo nuevo en esta edicinCaracterstica de actividad de aplicacin Esta seccin sustituye a la de Aplicaciones de sis-temay aparece al final de la mayora de los captulos. Muchas actividades nuevas se presentan enun formato de instructivo que es fcil seguir. Los estudiantes pueden construir y probar circuitossimilares a los introducidos en las Actividades de aplicacin. Cada Actividad de aplicacin con-duceal lector a travs del proceso de especificacin, simulacin, diseo de prototipos, prueba yterminacin de un circuito en el contexto de un sistema prctico.Caracterstica de diseo analgico programable Esta nueva seccin, opcional, despus dela Actividad de aplicacin en los captulos 12 a 16, introduce la puesta en ejecucin de circuitosanalgicos mediante la programacin de chips de circuitos integrados conocidos como redes ana-lgicasprogramables de campo (FPAAs, por sus siglas en ingls) o procesadores de sealesanalgicas dinmicamente programables (dpASPs, tambin por sus siglas en ingls). Esta seccintambin est vinculada al manual de laboratorio.Amplificadores Clase D La cobertura de amplificadores ahora incluye el amplificador linealclase D. Se analizan los fundamentos de la modulacin mediante ancho de pulso para sentar lasbases para el conocimiento de esta importante clase de amplificador.Circuitos de conmutacin analgico a digital Los conmutadores analgicos se utilizan muchoen sistemas de adquisicin de datos, en los cuales las seales analgicas se transforman a digitaly en circuitos conmutados por capacitor utilizados en circuitos integrados programables. Se in-troducenlos fundamentos tanto de conmutacin analgica como de compuertas lgicas digitales.Cobertura ampliada Numerosos temas, incluidos los LEDs de alta intensidad utilizados engrandes pantallas de colores, faros automotrices y semforos, han sido ampliados o revisados.Asimismo, los diodos zener y la polarizacin mediante transistores se encuentran entre los temasque han sido reescritos o revisados. Por otra parte, en muchos captulos se han agregado proble-masy hay varios ejemplos nuevos, incluyendo algunos sobre anlisis mediante computadora.Examen verdadero/falso Al final de todos los captulos se agreg este examen.Notas al margen Las notas histricas, las notas tcnicas y las notas de seguridad forman par-tede esta nueva edicin. 6. VI PREFACIODiapositivas PowerPoint Est disponible un conjunto completamente nuevo y exclusivo dediapositivas en PowerPoint, desarrolladas por Dave Buchla. Estas innovadoras diapositivas interac-tivas(en ingls) corresponden al texto de cada captulo y constituyen una excelente herramienta pa-rapresentaciones en el aula.Caractersticas sobresalientes La seccin de apertura de cada captulo incluye un esquema del captulo, los objetivos deste, una lista de trminos clave, la vista preliminar de una actividad de aplicacin, una re-ferenciaa un sitio Web y una introduccin. Una breve introduccin y los objetivos de cada seccin dentro del captulo. Abundantes ejemplos resueltos, cada uno con un problema relacionado similar al ilustradoen el ejemplo. Al final del captulo estn las respuestas a esos problemas. El CD-ROM incluido contiene archivos de circuitos Multisim para ejemplos selecciona-dos,solucin de fallas y problemas (todo en ingls). Al final de cada seccin aparecen preguntas de repaso de la seccin. Las respuestas se en-cuentranal final del captulo. En muchos captulos aparece una seccin completamente dedicada a la solucin de fallas. Una actividad de aplicacin al final de la mayora de los captulos. Al final de algunos captulos la parte de diseo analgico programable proporciona una in-troduccinopcional a dispositivos analgicos programables y software. Al final de cada captulo encontrar un resumen por secciones, un glosario de trminos cla-ve,una lista de frmulas clave, un examen del tipo verdadero/falso, un examen de accinde circuito, una autoevaluacin por secciones y un conjunto de problemas por secciones. El conjunto de problemas al final de cada captulo est organizado en problemas bsicos yavanzados. Adicionalmente, muchos captulos incluyen categoras de hojas de datos, acti-vidadde aplicacin y problemas de solucin de fallas resueltos con Multisim.Cambios con relacin a la edicin anteriorAlgunos temas fueron cambiados de lugar para proporcionar una disposicin ms lgica y un me-jorflujo del material. El captulo sobre amplificadores de potencia sigue al de amplificadores deBJT (captulo 6). El tema de redes analgicas programables ahora aparece en la nueva parte op-cionalDiseo Analgico Programable, al final de ciertos captulos. Los dispositivos obsoletos seactualizaron u omitieron en el texto.Recursos para el estudianteSitio Web Companion (www.pearsoneducacion.net/floyd) Este sitio Web ofrece a los es-tudiantesun estudio en lnea referente a la comprensin conceptual de temas clave, as comoexmenes de opcin mltiple, de falso/verdadero, y otros apoyos didcticos.CD-ROM Multisim Cada libro de texto incluye este CD, con material en ingls, con cir-cuitosde simulacin en Multisim 8 y 9 para ejemplos seleccionados, secciones de solucin deproblemas y problemas seleccionados en el texto. Estos circuitos se crearon para usarse consoftware Multisim. En electronicsworkbench.com est disponible una descarga gratuita deese software.Multisim est considerado como una excelente herramienta de simulacin de circuitos deaprendizaje tanto para el saln de clases como para el laboratorio. Sin embargo, ninguna par-tedel libro depende de Multisim o de los archivos provistos. Estos archivos se proporcionanpara aquellos que deciden utilizar el programa Multisim. 7. PREFACIO VIIRecursos para el instructorPara acceder a los materiales en lnea que se mencionan enseguida, los instructores tienen que so-licitaruna clave de acceso. En el sitio Web de este libro (www.pearsoneducacion.net/floyd),seleccione el vnculo Recursos para el profesor; vaya al Intructor Resource Center y luegohaga clic en el vnculo para nuevos instructores; o bien, contacte a su representante de PearsonEducacin. Cabe mencionar que todos estos apoyos se encuentran en ingls.Manual de recursos del instructor Incluye soluciones a problemas de cada captulo. Re-sultadosde la actividad de aplicacin, resumen de circuitos de archivo Multisim y archivo deelemento a ser probado. Tambin se incluyen soluciones del manual de laboratorio.Diapositivas en PowerPoint Esta novedosa presentacin interactiva de diapositivas enPowerPoint para cada captulo del libro constituye un suplemento muy efectivo para las con-ferenciasen el saln de clases. Incluye todas las figuras del texto.TestGen Es un banco de exmenes con ms de 800 preguntas.Novedades en los captulosSeccin de apertura del captulo Cada captulo inicia con una pgina de apertura, comomuestra la figura P-1, donde se presenta una introduccin al captulo, con una lista de las seccio-nesque lo componen y sus objetivos, trminos clave, un ejemplo de actividad de aplicacin y unareferencia al sitio Web para ayudas de estudio asociados.Apertura de seccin Cada seccin inicia con una breve introduccin y una lista de objetivos.La figura P-2 muestra un ejemplo.Repaso de seccin Cada seccin termina con una revisin compuesta de preguntas que resal-tanlos conceptos principales presentados en ella. Esta caracterstica tambin se ilustra en la figu-raP-2. Las respuestas a estos repasos se encuentran al final del captulo.Ejemplos resueltos, problemas relacionados y ejercicios Multisim Numerosos problemasresueltos a lo largo de cada captulo ilustran y clarifican los conceptos bsicos o procedimientosespecficos. Cada ejemplo concluye con un problema relacionado que refuerza o ampla el ejem-ploal requerir que el estudiante resuelva un problema similar al del ejemplo. Estos ejemplos se-leccionadosincluyen un ejercicio Multisim relacionado con un archivo del CD-ROM quecontiene el circuito ilustrado en el ejemplo. La figura P-3 muestra un ejemplo tpico junto con unproblema relacionado. Las respuestas a estos problemas relacionados se encuentran al final delcaptulo.Seccin de solucin de fallas Muchos captulos incluyen una seccin de solucin de fallas re-lacionadacon los temas abordados en el captulo y que ilustra procedimientos y tcnicas para susolucin. Esta seccin tambin proporciona ejercicios para solucin de fallas con Multisim.Actividad de aplicacin Se encuentra despus de la ltima seccin en la mayora de los cap-tulosy est identificada por un diseo grfico especial. Presenta una aplicacin prctica de losdispositivos o circuitos estudiados en el captulo, en donde el estudiante aprende a utilizar el dis-positivoo circuito especfico y es guiado a travs de la especificacin de diseo, simulacin,diseo de prototipos, implementacin y prueba de tarjetas de circuito. La figura P-4 muestra unaactividad de aplicacin tpica. Las actividades de aplicacin son opcionales; la omisin de algu-nas,o todas ellas, no afecta la comprensin del contenido. El manual de recursos del instructorofrece los resultados de las actividades de aplicacin. 8. VIII PREFACIOLista dedesempeobasada en losobjetivos delcaptulo FIGURA P1Una apertura de captulo tpica.embalamiento trmico a causa de su coeficiente de temperatura negativo. El MOSFET, sin em-bargo,resistencia produce prdidas de potencia en estado de conduccin ms bajas que los BJT. Se uti-lizande cd a cd, conmutacin de carga y otras aplicaciones que requieren alta corriente y un controldigital preciso. FIGURA P2Una apertura y repaso de seccin tpicos.IntroduccinDescripcinprevia de laactividad deaplicacinEsquema del captuloTrminos claveAl final de cadaseccin apareceun repasoEl prrafo deintroduccin iniciacada seccinDesempeo basadoen los objetivosde la seccinReferencia asitio WebAPLICACIONES DEL DIODO 2ESQUEMA DEL CAPTULO21 Rectificadores de media onda22 Rectificadores de onda completa23 Filtros y reguladores de fuentes dealimentacin24 Circuitos limitadores y sujetadores condiodos25 Multiplicadores de voltaje26 Hoja de datos de los diodos27 Solucin de fallasActividad de aplicacinOBJETIVOS DEL CAPTULO Explicar y analizar la operacin de rectificadoresde media onda Explicar y analizar la operacin de rectificadoresde onda completa Explicar y analizar la operacin y las caractersticasde filtros y reguladores de fuentes de alimentacin Explicar y analizar la operacin de circuitoslimitadores y sujetadores con diodos Explicar y analizar la operacin de multiplicadoresde voltaje con diodos Interpretar y utilizar una hoja de datos de undiodo Solucin de fallas de fuentes de potencia ycircuitos de diodoTRMINOS CLAVEVISITE EL SITIO WEB COMPANIONRecursos de apoyo para el estudio de captuloestn disponibles enhttp://www.pearsoneducacion.net/floydINTRODUCINEn el captulo 1 aprendi que un diodosemiconductor es un dispositivo con una sola uninpn. La importancia del diodo en circuitos electrnicosno se puede exagerar. Su capacidad de conducircorriente en una direccin, al tiempo que la bloqueaen la otra, es esencial para la operacin de muchostipos de circuitos. Un circuito en particular es elrectificador de ca, que este captulo aborda. Otrasaplicaciones importantes son circuitos tales comolimitadores, sujetadores y multiplicadores de voltaje,todos con diodos. Finalmente, este captulo analiza lahoja de datos de algunos diodos.AVANCE DE LA ACTIVIDADDE APLICACINSe le asigna la responsabilidad del diseo final y laprueba de un circuito de una fuente de alimentacinque su compaa planea utilizar en varios de susproductos. Usted deber aplicar su conocimiento decircuitos con diodos a esta actividad de aplicacin alfinal del captulo. Fuente dealimentacin de cd Rectificador Filtro Regulador Rectificador de mediaonda Voltaje de picoinverso (PIV) Rectificador de ondacompleta Voltaje de rizo Regulacin de lnea Regulacin de carga Limitador Sujetador Solucin de fallasSOLUCIN DE FALLAS 467es controlado por voltaje y su coeficiente de temperatura es positivo, lo que evita el emba-lamientotrmico. El MOSFET enciende ms rpido que el BJT y, cuando est encendido, su bajaMOSFET de potencia para el control de motores elctricos, conversin de cd a ca, conversin1. Describa un inversor CMOS bsico.2. Qu tipo de circuito CMOS digital de 2 entradas tiene una baja salida slo cuando ambasentradas son altas?3. Qu tipo de circuito CMOS digital de 2 entradas tiene una salida alta slo cuando ambasentradas son bajas?REPASO DE LASECCIN 9-697 SOLUCIN DE FALLASUn tcnico que entiende los fundamentos de operacin de un circuito y que es capaz, si esnecesario, de realizar un anlisis bsico de un circuito dado es mucho ms valioso que unoque se limita a realizar procedimientos de prueba de rutina. En esta seccin se ver como seprueba una tarjeta de circuito de la que se tiene slo un esquema sin ningn procedimientode prueba ni niveles de voltaje especificados. En este caso, el conocimiento bsico de cmoopera el circuito y la habilidad de analizarlo son tiles.Al terminar esta seccin, usted ser capaz de: Solucionar fallas de amplificadores basados en FET Solucionar fallas de un amplificador en fuente comn de dos etapas Relacionar un diagrama esquemtico con una tarjeta de circuitoSuponga que le dan una tarjeta de circuito que contiene un amplificador de audio y que sim-plementele dicen que no funciona bien. El circuito es un amplificador basado en FET de dos eta-pas,como muestra la figura 9-46.+12 VR51.5 kC1C3Vent Q1 Q2R6240 10 FC4R410 MVsalR21.5 kR3240 R110 MC5C2100 F 100 F0.1 F0.1 F FIGURA 946Circuito amplificador con FET de dos etapas. 9. PREFACIO IXLos ejemplos estnseparados del textoCada ejemplo contieneun problema relacionadopertinente al ejemploLos ejemplos seleccionadosincluyen un ejercicio Multisimcoordinado con el CD-ROMque acompaa al libro de texto224 CIRCUITOS DE POLARIZACIN DE TRANSISTORESEntonces,Ecuacin 54 VCVCCICRCCon VC y VE conocidos, se determina VCE.VCE = VC - VEDetermine VCE e IC en el circuito de transistor polarizado con divisor de voltaje rgido de lafigura 5-10 si bCD100.EJEMPLO 52VCC+10 VRC1.0 kR110 kRE560 R25.6 k FIGURA 510Solucin El voltaje en la base esPor lo tanto,yPor consiguiente,yR1 + R2 bVCC = a 5.6 kVBa R215.6 k b10 V = 3.59 VVE = VB - VBE = 3.59 V - 0.7 V = 2.89 VVERE=2.89 V560 = 5.16 mAICIE = 5.16 mAIE =VC = VCC - ICRC = 10 V - (5.16 mA)(1.0 k) = 4.84 VVCE = VC - VE = 4.84 V - 2.89 V = 1.95 VProblema relacionado Si el divisor de voltaje de la figura 5-10 no fuera rgido, cmo se vera afectado VB?Abra el archivo Multisim E05-02 de la carpeta Examples del CD-ROM. Mida IC y VCE.Sus resultados debern concordar ms estrechamente con los del problema relacionadoque con aqullos correspondientes al ejemplo. Puede explicar esto?El anlisis bsico desarrollado en el ejemplo 5-2 es todo lo que se requiere para la mayora delos circuitos de divisor de voltaje, pero puede haber casos en los que se necesite analizar el cir-cuitocon ms precisin. Idealmente, un circuito divisor de voltaje es rgido, lo que implica queel transistor no aparece como una carga significativa. El diseo de cualquier circuito implica in-tercambios;uno de ellos es que los divisores de voltaje rgidos requieren resistores ms peque- FIGURA P3Un ejemplo tpico con un problema relacionado y un ejercicio resuelto con Multisim.Actividad de aplicacin: Control de velocidad de un motorEn esta aplicacin, un SCR y un PUT se utilizan para controlar la velocidad del motor de unabanda transportadora. El circuito controla la velocidad de la banda transportadora de tal suerteque un nmero de piezas aleatoriamente separadas entre s pasen un punto de la lnea de produc-cinen un lapso de tiempo especificado. Esto permite una adecuada cantidad de tiempo para quelos operarios de la lnea de produccin realicen ciertas tareas en cada pieza. En la figura 11-45 semuestra un diagrama bsico del sistema de control de velocidad de la banda transportadora.Manos a la obraDetectorinfrarrojoMotor MotorelctricoCircuitosde proce-samientoHaz infrarrojoEmisorinfrarrojoCircuitode control develocidaddel motorelctrico120 Vca FIGURA 1145Diagrama de bloques del sistema de control de velocidad de una banda transportadora.Cada vez que una pieza colocada sobre la banda transportadora pasa frente al detector infra-rrojoe interrumpe el haz, un contador digital en los circuitos de procesamiento incrementa enuno. El conteo de las piezas que pasan se acumula durante un lapso de tiempo especificado ylos circuitos de procesamiento lo convierten en un voltaje proporcional. Mientras ms piezaspasen frente el detector infrarrojo durante el lapso de tiempo especificado, ms alto es el volta-je.El voltaje proporcional se aplica al circuito de control de velocidad del motor el que, a suvez, ajusta la velocidad del motor elctrico que impulsa la banda transportadora para mantenerel nmero de piezas deseado en un lapso de tiempo especificado.Circuito de control de velocidad del motor elctricoEl voltaje proporcional producido por los circuitos de procesamiento se aplica a la compuertade un PUT. Este voltaje determina el punto en el ciclo de ca donde el SCR se dispara. Con unvoltaje ms alto en la compuerta del PUT, el SCR se enciende ms tarde en el semiciclo y porconsiguiente aporta menos potencia promedio al motor, para reducir su velocidad. Con un vol-tajeen la compuerta del PUT bajo, el SCR se enciende ms pronto en el semiciclo y aporta mspotencia promedio al motor, incrementando su velocidad. Este proceso ajusta continuamente lavelocidad del motor para mantener el nmero de partes por unidad de tiempo que pasan por latransportadora. Se utiliza un potencimetro para calibrar el punto de disparo del SCR. En la fi-gura11-46 se muestra el circuito de control de velocidad del motor. FIGURA P4Parte de una seccin de actividad de aplicacin tpica.Responda las siguientes preguntas valindose de la hoja de datos parcial de la figura 11-47.Si no aparece informacin suficiente en estas hojas de datos, dirjase a onsemi.com y descar-guela hoja u hojas de datos completas.1. Cunto voltaje pico puede soportar el SCR en el estado de apagado?2. Cul es la corriente mxima en el SCR cuando se enciende?3. Cul es la disipacin de potencia mxima del PUT?SimulacinEl circuito de control de velocidad del motor se simula en Multisim con una carga resistiva/in-ductivaen lugar el motor y una fuente de voltaje de cd en lugar de la entrada del circuito deprocesamiento, como muestra la figura 11-48. El diodo se coloca a travs del motor con finesde supresin transitoria.(a) Circuito de control de velocidad del motor (b) Voltaje a travs del SCR con Vcont = 12 V FIGURA 1148Resultados de la simulacin del circuito de control de velocidad del motor.4. En la pantalla del osciloscopio mostrado en la figura 11-48 identifique cuando el SCRest conduciendo.5. Si el voltaje de control se reduce, conducir ms o menos el SCR?6. Si el voltaje de control se reduce, se incrementar o reducir la velocidad del motor?La figura 11-49 muestra los resultados de variar Vcontrol. Se puede ver que el voltaje de con-trolse reduce y el SCR conduce durante ms del ciclo y, consecuentemente, suministra mspotencia al motor para incrementar su velocidad.Simule el circuito de control de velocidad del motor con Multisim. Observe cmo cambiael voltaje en el SCR con los cambios de Vcontrol.Diseo y prueba de un prototipoAhora que el circuito ha sido simulado, se construye y prueba el circuito prototipo. Una vez queel circuito se prueba con xito en una tarjeta prototipo, est listo para ser utilizado en una tarjetade circuito impreso.SimulacinActividadresuelta conMultisim 10. X PREFACIOElementos al final de cada captulo Los siguientes elementos pedaggicos se encuentran alfinal de la mayora de los captulos: Resumen Glosario de trminos clave Frmulas clave Examen de verdadero/falso Examen de accin de circuito Autoevaluacin Problemas bsicos Problemas avanzados Problemas resueltos con la hoja de datos (captulos seleccionados) Problemas de actividad de aplicacin (muchos captulos) Problemas de solucin de fallas con Multisim (la mayora de los captulos) Respuestas al repaso de seccin Respuestas a los problemas relacionados con ejemplos Respuestas al examen de verdadero/falso Respuestas al examen de accin de circuito Respuestas a la autoevaluacinSugerencias para el uso de este libro de textoComo se mencion, este libro se ocupa de dispositivos y circuitos discretos en los captulos 1 a11 y de circuitos integrados en los captulos 12 a 18.Opcin 1 (dos semestres) Los captulos 1 a 11 pueden ser cubiertos en el primer semestre. Se-gnlas preferencias individuales y el nfasis puesto en el programa puede requerirse una cober-turaselectiva. Los captulos 12 a 18 pueden ser cubiertos en el segundo semestre, y de igualforma, puede requerirse una cobertura selectiva.Opcin 2 (un semestre) Si se omiten ciertos temas y se mantiene una rigurosa programacin,este libro puede ser utilizado en cursos de un semestre. Por ejemplo, un curso que comprenda slodispositivos y circuitos discretos utilizara los captulos 1 a 11, pero slo de manera selectiva.Asimismo, un curso que slo requiriera cubrir circuitos integrados podra utilizar slo los ca-ptulos12 a 18. Otro enfoque es una cobertura muy selectiva de los temas de dispositivos y cir-cuitosdiscretos seguida por una cobertura limitada de circuitos integrados (slo amplificadoresoperacionales, por ejemplo).Para el estudianteCuando inicie un captulo, estudie una seccin hasta que la entienda; slo entonces contine conla siguiente. Lea cada seccin y estudie minuciosamente las ilustraciones relacionadas, piense en elmaterial, trabaje a travs de cada ejemplo paso a paso, resuelva el problema relacionado y verifi-quesu respuesta, luego responda cada pregunta en el repaso de seccin y verifique sus respuestasal final del captulo. No espere que cada concepto quede claro despus de una sola lectura; puedetener que leer el material dos o incluso tres veces. Una vez que piense que ya entendi el mate-rial,repase el resumen del captulo, la lista de frmulas clave y las definiciones de trminos cla- 11. PREFACIO XIve al final de captulo. Resuelva el examen de verdadero/falso, el examen de accin de circuito yla autoevaluacin. Por ltimo, resuelva los problemas asignados que aparecen al final del captulo.Resolver estos problemas es quiz la forma ms importante de comprobar y reforzar su compren-sindel captulo. Si resuelve los problemas adquirir un nivel adicional de percepcin y conoci-mientoy desarrollar un pensamiento lgico que la lectura o las conferencias en el saln declases no son capaces de proporcionar.En general, no es posible comprender a cabalidad un concepto o procedimiento simplementecon mirar o escuchar a alguien. Slo el trabajo duro y el pensamiento crtico producirn los re-sultadosque espera y merece.Hitos en el campo de la electrnicaAntes de iniciar el estudio de dispositivos electrnicos, veremos un breve repaso de algunos delos desarrollos ms importantes que condujeron a la tecnologa electrnica actual. Los nombresde muchos de los pioneros en el campo de la electricidad perduran en unidades conocidas: Ohm,Ampere, Volta, Farad, Henry, Coulomb, Oested y Hertz, son algunos de los ejemplos ms cono-cidoscon los que ya se est familiarizado; otros ms ampliamente conocidos como Franklin yEdison tambin son significativos en la historia de la electricidad y el magnetismo gracias a susimportantsimas contribuciones. Se incluyen biografas breves de algunas figuras importantes enla historia de la electrnica.Los primeros experimentos de electrnica implicaron corrientes elctricas en tubos de vaco.Heinrich Geissler (1814-1879) extrajo la mayor parte del aire de un tubo de vidrio y encontr queel tubo brillaba cuando circulaba corriente a travs de l. Posteriormente, Sir William Crookes(1832-1919) encontr que la corriente en tubos de vaco pareca estar compuesta de partculas.Thomas Edison (1847-1931) experiment con bulbos de filamento de carbn con laminillas ydescubri que circulaba corriente desde el filamento caliente hasta una laminilla positivamentecargada. Patent la idea pero nunca la utiliz.Otros experimentadores pioneros midieron las propiedades de las partculas que fluan en elinterior de tubos de vaco. Sir Joseph Thompson (1856-1940) midi las propiedades de estas par-tculas,ms tarde llamadas electrones.Aunque la comunicacin telegrfica inalmbrica se remonta a 1844, la electrnica es esencial-menteun concepto del siglo XX que se inici con la invencin del amplificador de tubo de vaco.Un tubo de vaco que permita corriente en slo una direccin fue construido por John A. Flemingen 1904; conocido como vlvula Fleming, fue el antecesor de los diodos de tubo de vaco. En1901, Lee DeForest le agreg una rejilla. El nuevo dispositivo, llamado audiotrn, era capaz deamplificar una seal dbil. Con la adicin del elemento de control, DeForest encabez la revolu-cinelectrnica. Fue una versin mejorada de su dispositivo la que hizo posible el servicio tele-fnicotranscontinental y los radios. Ya en 1912 un radioaficionado en San Jos, California,transmita msica con regularidad!En 1921, el secretario de comercio, Herbert Hoover, emiti la primera licencia para una esta-cinde radio; dentro de un periodo de dos aos se emitieron ms de 600 licencias. Afinales de ladcada de 1920, en muchos hogares haba radios. Un nuevo tipo de radio, el superheterodino, in-ventadopor Edwin Armstrong, resolvi los problemas de comunicacin a alta frecuencia. En1923, Vladimir Zworykin, un investigador estadounidense, invent el primer cinescopio y en 1927Philo T. Farnsworth solicit una patente para un sistema de televisin completo.La dcada de 1930 atestigu muchos desarrollos en radio, incluidos los tubos de metal, el con-trolde ganancia automtico, los radios miniatura y las antenas direccionales. Tambin en estadcada se inici el desarrollo de las primeras computadoras electrnicas. Las computadoras mo-dernasremontan sus orgenes al trabajo de John Atanasoff en la Universidad Estatal de Iowa. Aprincipios de 1937 imagin una mquina binaria capaz de realizar trabajo matemtico complejo.Alrededor de 1939, l y el estudiante graduado Clifford Berry construyeron una mquina binariallamada ABC (Por Atanasoff-Berry Computer) que utilizaba tubos de vaco para la lgica y con-densadores(capacitores) para la memoria. En 1939, el magnetrn, un oscilador de microondas,fue inventado en Gran Bretaa por Henry Boot y John Randall. En el mismo ao, el tubo de mi-croondasklystron fue inventado en Estados Unidos por Russell y Sigurd Varian.B I O G R A F AThomas Alva Edison1847-1931Nacido en Milan, Ohio,Thomas Edison ha sido elinventor ms prolfico detodos los tiempos. Se leacreditan 1093 patentes y esla nica persona en tenerpor lo menos una patentecada ao durante 65 aosconsecutivos. Lasinvenciones y empresas deEdison pertenecen a muchoscampos tecnolgicos. Una desus famosas invenciones, elfoco incandescente, fueintroducida en 1879. AEdison se le acredita eldescubrimiento del efecto dediodo mientras trabajabacon tubos de vaco para elfoco incandescente. Lamayor parte de su trabajofue realizado en sulaboratorio en West Orange,NJ. Tambin mantena unlaboratorio en su casa deinvierno en Fort Myers,Florida, el cual estabadedicado principalmenteal desarrollo de hulesinttico mediante la plantavara dorada (Crdito de lafoto: Biblioteca delCongreso). 12. XII PREFACIOEn la dcada de 1940, la Segunda Guerra Mundial motiv rpidos avances en electrnica. Elmagnetrn y el klystron hicieron posible el radio y las comunicaciones a frecuencias muy altas.Los tubos de rayos catdicos fueron mejorados para usarlos en el radar. El trabajo de investigacinde la computadora continu durante la guerra. Alrededor de 1946, John von Neumann desarrollla primera computadora de programa guardado, la ENIAC, en la Universidad de Pennsylvania.Uno de los hechos ms significativos en la historia de la electrnica ocurri en 1947, cuando WalterBrattain, John Bardeen y William Shockley inventaron el transistor, por el que los tres ganaronpremios Nobel. Las tarjetas de CI (circuito impreso) tambin fueron introducidas en 1947. La fa-bricacincomercial de transistores arranc en 1951 en Allentown, Pennsylvania.La invencin ms significativa de la dcada de 1950 fue el circuito integrado: el 12 de septiem-brede 1958, Jack Kilby, en Texas Instruments, elabor el primero de ellos (figura P-5), por elcual le fue otorgado el premio Nobel en el otoo de 2000. Esta invencin literalmente cre la erade la computadora moderna y dio lugar a cambios arrolladores en la medicina, las comunicacio-nes,los procesos de manufactura y la industria del entretenimiento. Muchos miles de millones dechips a los cuales se los llam circuitos integrados han sido fabricados desde entonces.La dcada de 1950 dio paso al inicio de la carrera espacial, lo que incentiv la miniaturizacinde componentes y el desarrollo de las computadoras. La carrera espacial fue la fuerza propulsoradetrs de los rpidos cambios que sobrevinieron en la electrnica. El primer amplificador opera-cionalexitoso fue diseado por Bob Widlar, en Fairchild Semiconductor, en 1965. Llamado elB I O G R A F ALee DeForest1873-1961Nacido en Iowa, LeeDeForest se convirti eninventor mientras trabajabapara sufragar sus gastosuniversitarios. Se gradu deYale en 1899 con undoctorado. Su tesis doctoral,Reflexin de las ondashertzianas a partir de laspuntas de dos alambresparalelos, fue el inicio de sularga carrera en radio. Suinvencin del trodo de tubode vaco utilizado enamplificacin (amplificadorde audio) fue la msimportante de sus ms de300 invenciones. (Crdito dela foto: The NacionalCyclopedia of AmericanBiography, cortesa de AIPEmilio Segr Visual Archives,T. J. J. Vea la coleccin).B I O G R A F A B I O G R A F AJohn Bardeen1908-1991Ingeniero electricista y fsiconacido en Madison, Wisconsin,el Dr. Bardeen estuvo en elcuerpo de profesores de laUniversidad de Minnesotadesde 1938 hasta 1941 y comofsico en el Naval Ordinance Labdesde 1941 hasta 1945. Luegose uni a Bell Labs, dondepermaneci hasta 1951.Algunos de sus campos deinters fueron la conduccin ensemiconductores y metales,propiedades superficiales de lossemiconductores y lasuperconductividad. Mientras seencontraba en los Bell Labsinvent el transistorconjuntamente con sus colegasWalter Brattain y WilliamShockley. Despus de dejar losBell Labs en 1951, el Dr.Bardeen se uni al cuerpo deprofesores en la Universidad deIllinois. (Crdito de la foto: AIPEmilio Segr Visual Archives,W.F. Meggers Gallery of NobelLaureates).B I O G R A F AWilliam Shockley1910-1989Estadounidense nacido enLondres, Inglaterra, el Dr.Shockley obtuvo su doctoradoen 1936 del M.I.T. Se uni a losBell Labs despus de graduarsey permaneci ah hasta 1955.Su nfasis en la investigacinincluy las reas de bandas deenerga en slidos, la teorade tubos de vaco, losfotoelectrones, los dominiosferromagnticos y la fsica deltransistor. Mientras seencontraba en los Bell Labs, elDr. Shockley hizo equipo conJohn Bardeen y Walter Brattainen la invencin del transistor en1947. Despus de dejar los BellLabs, el Dr. Shockley pas untiempo en BeckmanInstruments y en la Universidadde Stanford. (Crdito de la foto:AIP Emilio Segr Visual Archives,Physics Today Collection).Walter H. Brattain1902-1987Estadounidense nacido enChina, el Dr. Brattain seuni a los Bell TelephoneLaboratorios en 1929. Unade sus principales reas deinvestigacin fue la de laspropiedades superficiales delos materialessemiconductores. Suscontribuciones principalesfueron el descubrimiento delefecto foto en la superficiede un semiconductor y lainvencin del transistor depunto de contacto en 1947,el cual inventconjuntamente con JohnBardeen y William Shockley.(Crdito de la foto: AIPEmilio Segr Visual Archives,W.F. Meggers Gallery ofNobel Laureates). 13. PREFACIO XIIIB I O G R A F AFIGURA P5El primer circuito integrado (Cortesade Texas Instruments)mA709, tuvo mucho xito pero se bloqueaba y experimentaba otros problemas. Ms tarde, elamplificador operacional ms popular que alguna vez haya habido, el 741, tom forma en Fair-child.Este amplificador operacional lleg a ser el estndar de la industria e influy en el diseode amplificadores operacionales durante los aos por venir. Las redes de computadoras, precur-sorasde la Internet, aparecieron tambin en la dcada de 1960: sistemas instalados en el LawrenceLivermore Nacional Laboratory conectaban ms de 100 terminales a un sistema de computadora(pintorescamente llamado Sistema Octopus).Para 1971, una nueva compaa que haba sido formada por un grupo de Fairchild introdujoel primer microprocesador: la compaa fue Intel y el producto fue el chip 4004, que tena lamisma potencia de procesamiento que la computadora ENIAC. Posteriormente en ese mismoao, Intel anunci el primer procesador de 8 bits, el 8008. En 1975, Altair introdujo la primeracomputadora personal y la revista Popular Science la mostr en la portada de la edicin de enerode 1975. La dcada de 1970 presenci, adems, la introduccin de la calculadora de bolsillo ynuevos desarrollos de circuitos integrados pticos.En la dcada de 1980, la mitad de los hogares estadounidenses utilizaba televisin por cableen lugar de antenas de televisin. La confiabilidad, velocidad y miniaturizacin de la electrnicacontinu durante el resto de la dcada, esto incluy la prueba y calibracin automticas de tarjetasde circuitos impresos. La computadora lleg a formar parte de la instrumentacin y se cre el instru-mentovirtual. Las computadoras llegaron a ser una herramienta estndar en la mesa de trabajo.Durante la dcada de 1990 se difundi el uso de la Internet. En 1993 haba 130 sitios Web; alinicio del nuevo siglo (en 2001) haba ms de 24 millones. Las compaas se esforzaban por es-tablecersu pgina de inicio y muchos de los primeros desarrollos de la transmisin por radio tenanalgo en comn con la Internet: el intercambio de informacin y el comercio electrnico estimu-laronel tremendo crecimiento econmico de esa dcada. La Internet lleg a ser especialmenteimportante para cientficos e ingenieros, convirtindose en una las herramientas de comunicacincientfica ms importantes jams desarrolladas.En 1995, la FCC asign espacio espectral para un nuevo servicio llamado Servicio de Radiode Audio Digital. Estndares de televisin digital fueron adoptados en 1996 por la FCC para lasiguiente generacin de televisoras de la nacin. A finales del siglo XX, los historiadores no sedaban abasto. Como una persona lo plante, Estoy de acuerdo con las nuevas tecnologas, perome gustara que permitieran a las viejas desgastarse primero.Durante el inicio del siglo XXI, el principal acontecimiento en este campo fue el crecimientoexplosivo y continuo de la Internet; poco despus, los cientficos planeaban ya un nuevo sistemade supercomputadoras que pondr al alcance de todo mundo cantidades masivas de informacinen una red de computadoras. La nueva red de datos internacional ser un recurso incluso msgrande que la Red Mundial, lo que permitira a las personas la capacidad de tener acceso a enor-mescantidades de informacin y los recursos para ejecutar simulaciones en una supercomputa-dora.La investigacin en el siglo XXI contina a lo largo de lneas de circuitos ms rpidos ypequeos que utilizan tecnologas nuevas.ReconocimientosMuchas personas capaces contribuyeron a la octava edicin de Dispositivos Electrnicos. Hasido minuciosamente revisada y verificada tanto en lo que respecta a contenido como en cuantoa precisin. Aquellos en Prentice Hall que contribuyeron en gran medida a este proyecto a lo lar-gode muchas fases de desarrollo y produccin incluyen a Rex Davidson, Lara Dimmick y VernAnthony. Lois Porter una vez ms realiz un sobresaliente trabajo al editar el manuscrito. DaveJack S. Kilby1923-2005Jack Kilby naci en Missouriy obtuvo ttulos eningeniera elctrica de laUniversidad de Illinois yla Universidad de Wisconsin.En 1958, se uni a TexasInstruments en Dallas. Alao de haber llegado a TIdesarroll el circuitointegrado monoltico y elresto es historia. Por lasmismas fechas Robert Noycede Fairchild Semiconductorpor su parte desarroll uncircuito integrado. A amboshombres se les acredita lainvencin. (Crdito de lafoto: Cortesa de TexasInstruments). 14. XIV PREFACIOBuchla realiz una revisin completa, rengln por rengln, del manuscrito y contribuy extensa-menteen el contenido del libro, lo que ayud a hacer de esta edicin la mejor de todas. GarySnyder cre los archivos de circuito para Multisim en esta edicin. Una nota de reconocimientova para Evan Robinson, Erik Luther y Shekhar Sharad de Electronics Workbench por sus contri-bucionesal contenido de Multisim.Deseo expresar mi gratitud a aquellos que ya mencion as como a los revisores que aportaronmuchas sugerencias valiosas y crticas constructivas que influyeron en gran medida en esta edi-cin.Estos revisores son William Dolan, Kennebec Valley Community Collage; John Duncan,Kent State University; Art Eggers, Community Collage of Southern Nevada; Paul Garrett, ITTTechnical Institute; Mark Hughes, Cleveland Community Collage; Lisa Jones, Southwest Ten-nesseeCommunity Collage; Max Rabiee, University of Cincinnatti y Jim Rhodes, Blue RidgeCommunity College.Tom Floyd 15. RESUMEN DE CONTENIDO13 Circuitos bsicos con amplificadoresoperacionales 65714 Circuitos basados en amplificadoresoperacionales para propsitos especiales 70915 Filtros activos 75516 Osciladores 79917 Reguladores de voltaje 84518 Comunicaciones 885APNDICESA Tabla de valores de resistores estndar 933B Derivaciones de ecuaciones seleccionadas 934C Simulacin de circuitos y diseo de prototiposcon MULTISIM y NI ELVIS 947D Solucin del ejemplo 9-3 con la calculadoraTI-89 953Respuestas a problemas con nmero impar 955Glosario 969ndice 9751 Introduccin a los semiconductores 12 Aplicaciones del diodo 453 Diodos para propsito especial 1064 Transistores de unin bipolar 1635 Circuitos de polarizacin de transistores 2166 Amplificadores con BJT 2567 Amplificadores de potencia 3228 Transistores de efecto de campo (FET) 3689 Amplificadores basados en FETy circuitos de conmutacin 43610 Respuesta en frecuencia de un amplificador 49211 Tiristores 55312 El amplificador operacional 592 16. CONTENIDO5 Circuitos de polarizacin de transistores 21651 El punto de operacin en cd 21752 Polarizacin por medio de un divisor de voltaje 22353 Otros mtodos de polarizacin 22954 Solucin de fallas 236Actividad de aplicacin 2406 Amplificadores con BJT 25661 Operacin de un amplificador 25762 Modelos de transistor en ca 26063 El amplificador en emisor comn 26364 El amplificador en colector comn 27665 Amplificador en base comn 28366 Amplificadores de etapas mltiples 28667 Amplificador diferencial 28968 Solucin de fallas 295Actividad de aplicacin 2997 Amplificadores de potencia 32271 Amplificador de potencia clase A 32372 Amplificadores clase B y clase ABpush-pull 32973 Amplificador clase C 34074 Solucin de fallas 348Actividad de aplicacin 3518 Transistores de efecto de campo (FET) 36881 El JFET 36982 Caractersticas y parmetros del JFET 37183 Polarizacin de un JFET 38184 La regin hmica 39285 El MOSFET 39686 Caractersticas y parmetros deMOSFET 40187 Polarizacin de un MOSFET 40488 El IGBT 40789 Solucin de fallas 409Actividad de aplicacin 4111 Introduccin a los semiconductores 111 Estructura atmica 212 Aislantes, conductores y semiconductores 513 Corriente en semiconductores 914 Semiconductores tipo N y tipo P 1215 El diodo 1416 Polarizacin de un diodo 1717 Caracterstica de voltaje-corriente de un diodo 2118 Modelos del diodo 2519 Prueba de un diodo 312 Aplicaciones del diodo 4521 Rectificadores de media onda 4622 Rectificadores de onda completa 5223 Filtros y reguladores de la fuente de alimentacin 5924 Circuitos limitadores y sujetadores con diodos 6525 Multiplicadores de voltaje 7226 La hoja de datos del diodo 7427 Solucin de fallas 79Actividad de aplicacin 853 Diodos para propsito especial 10631 El diodo zener 10732 Aplicaciones del diodo zener 11433 El diodo varactor 12234 Diodos pticos 12635 Otros tipos de diodos 13936 Solucin de fallas 145Actividad de aplicacin 1484 Transistores de unin bipolar 16341 Estructura de un BJT 16442 Operacin bsica de un BJT 16543 Caractersticas y parmetros de un BJT 16744 El BJT como amplificador 18045 El BJT como interruptor 18246 El fototransistor 18547 Categoras y encapsulado de transistores 18948 Solucin de fallas 191Actividad de aplicacin 198 17. XVIII CONTENIDO9 Amplificadores basados en FETy circuitos de conmutacin 43691 Amplificador en fuente comn 43792 Amplificador en drenaje comn 44893 Amplificador en compuerta comn 45194 Amplificador clase D 45495 Conmutacin analgica mediante un MOSFET 45996 Conmutacin digital mediante un MOSFET 46497 Solucin de fallas 467Actividad de aplicacin 47010 Respuesta en frecuencia de un amplificador 492101 Conceptos bsicos 493102 El decibel 496103 Respuesta de un amplificador en baja frecuencia 499104 Respuesta de un amplificador en alta frecuencia 517105 Respuesta en frecuencia total de un amplificador 527106 Respuesta en frecuencia de amplificadoresde etapas mltiples 530107 Mediciones de la respuesta en frecuencia 533Actividad de aplicacin 53611 Tiristores 553111 El diodo de 4 capas 554112 El rectificador controlado de silicio (SCR) 557113 Aplicaciones del SCR 562114 El diac y el triac 567115 El interruptor controlado por silicio (SCS) 571116 El transistor de una sola unin (UJT) 572117 El transistor de una sola unin programable(PUT) 577Actividad de aplicacin 57912 El amplificador operacional 592121 Introduccin a los amplificadores operacionales 593122 Modos de entrada a un amplificador operacionaly parmetros 595123 Realimentacin negativa 602124 Amplificadores operacionales con realimentacinnegativa 603125 Efectos de la realimentacin negativa en lasimpedancias del amplificador operacional 608126 Corriente de polarizacin y desequilibriode voltaje 613127 Respuesta en lazo abierto 616128 Respuesta en frecuencia en lazo cerrado 622129 Solucin de fallas 625Actividad de aplicacin 627Diseo analgico programable 63313 Circuitos bsicos con amplificadoresoperacionales 657131 Comparadores 658132 Amplificadores sumadores 669133 Integradores y diferenciadores 677134 Solucin de fallas 684Actividad de aplicacin 689Diseo analgico programable 69414 Circuitos basados en amplificadoresoperacionales para propsitos especiales 709141 Amplificadores de instrumentacin 710142 Amplificadores de aislamiento 716143 Amplificadores operacionales detransconductancia (OTA) 721144 Amplificadores logartmicos y antilogartmicos 727145 Convertidores y otros circuitos basadosen amplificadores operacionales 733Actividad de aplicacin 735Diseo analgico programable 74115 Filtros activos 755151 Respuestas de filtros bsicos 756152 Caractersticas de la respuesta de un filtro 760153 Filtros pasobajas activos 764154 Filtros pasoaltas activos 768155 Filtros pasobanda activos 771156 Filtros supresores de banda activos 777157 Mediciones de la respuesta de un filtro 779Actividad de aplicacin 781Diseo analgico programable 78616 Osciladores 799161 El oscilador 800162 Principios del oscilador con realimentacin 801163 Osciladores con circuitos con realimentacin RC 803164 Osciladores con circuitos con realimentacin LC 810165 Osciladores de relajacin 818166 Temporizador 555 como oscilador 823Actividad de aplicacin 829Diseo analgico programable 83317 Reguladores de voltaje 845171 Regulacin de voltaje 846172 Reguladores en serie lineales bsicos 849173 Reguladores en paralelo lineales bsicos 854174 Reguladores de conmutacin bsicos 857175 Reguladores de voltaje en circuito integrado 862176 Aplicaciones de reguladores de voltajeen circuito integrado 867Actividad de aplicacin 873 18. CONTENIDO XIX18 Comunicaciones 885181 Receptores bsicos 886182 El multiplicador lineal 890183 Amplitud modulada 894184 El mezclador 900185 Demodulacin de AM 903186 Frecuencia intermedia y amplificadores de audio 904187 Frecuencia modulada 907188 Malla de fase cerrada (PLL) 909189 Fibra ptica 917APNDICESA Tabla de valores de resistores estndar 933B Derivaciones de ecuaciones seleccionadas 934C Simulacin de circuitos y diseo de prototiposcon MULTISIM y NI ELVIS 947D Solucin del ejemplo 9-3 con la calculadora TI-89 953Respuestas a problemas con nmero impar 955Glosario 969ndice 975 19. 1 INTRODUCCIN A LOSSEMICONDUCTORESESQUEMA DEL CAPTULO11 Estructura atmica12 Aislantes, conductores y semiconductores13 Corriente en semiconductores14 Semiconductores tipo N y tipo P15 El diodo16 Polarizacin de un diodo17 Caracterstica de voltaje-corriente de undiodo18 Modelos del diodo19 Prueba de un diodoOBJETIVOS DEL CAPTULO Analizar la estructura bsica de los tomos Analizar los aislantes, conductores ysemiconductores, y sus diferencias esenciales Describir cmo se produce la corriente en unsemiconductor Describir las propiedades de semiconductores tipon y tipo p Describir un diodo y cmo se forma una unin pn Analizar la polarizacin de un diodo Analizar la curva caracterstica de voltaje-corriente(V-I) de un diodo Analizar la operacin de diodos y explicar los tresmodelos de diodo Probar un diodo por medio de un multmetrodigitalTRMINOS CLAVE tomo Protn Electrn Capa Valencia Ionizacin Electrn libre Aislante Conductor Semiconductor Silicio Cristal Hueco Dopado Diodo Unin PN Potencial de barrera Polarizacin Polarizacin endirecta Polarizacin eninversa Caracterstica V-I Ctodo nodoVISITE EL SITIO WEB COMPANIONRecursos de apoyo para el estudio de este captuloestn disponibles enhttp://www.pearsoneducacion.net/floydINTRODUCCINLos dispositivos electrnicos tales como diodos,transistores y circuitos integrados estn hechos conun material semiconductor; para entender cmofuncionan debe tenerse conocimiento bsico de laestructura de los tomos y la interaccin de laspartculas atmicas. Un concepto importantepresentado en este captulo es el de la unin pn, quese forma cuando se unen dos tipos de materialsemiconductor. La unin pn es fundamental para laoperacin de dispositivos tales como el diodo y ciertostipos de transistores. Se aborda la operacin y lascaractersticas del diodo; asimismo, se analizan yprueban tres modelos del diodo que representan tresniveles de aproximacin. 20. 2 INTRODUCCIN A LOS SEMICONDUCTORES11 ESTRUCTURA ATMICAToda la materia est compuesta por tomos, y todos los tomos se componen de electrones, pro-tonesy neutrones. En esta seccin aprender sobre la estructura del tomo, las rbitas y capasde los electrones, los electrones de valencia, los iones y dos materiales semiconductores: el sili-cioy el germanio. La configuracin de ciertos electrones en un tomo es el factor clave paradeterminar cmo un material dado conduce corriente elctrica.Despus de completar esta seccin, usted deber ser capaz de Describir la estructura bsica de los tomos Definir ncleo, protn, neutrn y electrn Describir el nmero atmico de un elemento Explicar las capas de electrones Describir un electrn de valencia Describir la ionizacin Describir un electrn libreUn tomo* es la partcula ms pequea de un elemento que retiene las caractersticas de ste.Cada uno de los 109 elementos conocidos tiene tomos que son diferentes de los de todos losdems elementos; es decir, cada elemento presenta una estructura atmica nica. De acuerdo conel modelo de Bohr, los tomos tienen una estructura de tipo planetario que consta de un ncleocentral rodeado por electrones que describen rbitas, como ilustra la figura 1-1. El ncleo secompone de partculas cargadas positivamente llamadas protones y partculas sin carga lla-madasneutrones. Las partculas bsicas de carga negativa se llaman electrones.Electrn Protn Neutrn FIGURA 11Modelo de Bohr que muestraelectrones en rbitasalrededor del ncleo, el cualse compone de protones yneutrones. Las colas en loselectrones indicanmovimiento.*Todos los trminos en negritas se encuentran en el glosario al final de libro. Los trminos en gris son trminosclave y tambin se definen al final del captulo. 21. ESTRUCTURA ATMICA 3Cada tipo de tomo tiene un cierto nmero de electrones y protones que los distinguen de lostomos de todos los dems elementos. Por ejemplo, el tomo ms simple es el de hidrgeno ytiene un protn y un electrn, como muestra la figura 1-2(a). El tomo de helio, que ilustra lafigura 1-2(b), tiene dos protones y dos neutrones en el ncleo y dos electrones en rbita alrede-dordel ncleo.ElectrnNcleoElectrn(a) tomo de hidrgeno (b) tomo de helioNcleoElectrn FIGURA 12Dos tomos simples: hidrgeno y helio.Nmero atmicoTodos los elementos estn dispuestos en la tabla peridica de acuerdo con su nmero atmico. Elnmero atmico es igual al nmero de protones en el ncleo, el cual es igual al nmero de elec-tronesen un tomo elctricamente balanceado (neutro). Por ejemplo, el nmero atmico delhidrgeno es 1 y el del helio es 2. En su estado normal (o neutro), todos los tomos de un ele-mentodado tienen el mismo nmero de electrones que protones: las cargas positivas cancelan lasnegativas y la carga neta del tomo es cero.Capas y rbitas de los electronesLos electrones giran alrededor del ncleo de un tomo a ciertas distancias de l. Los electronescercanos al ncleo tienen menos energa que aquellos que describen rbitas ms distantes. Sloexisten valores discretos (separados y distintos) de energas del electrn dentro de las estructurasatmicas. Por consiguiente, los electrones deben describir rbitas a distancias discretas del ncleo.Niveles de energa Cada distancia discreta (rbita) al ncleo corresponde a cierto nivel deenerga. En un tomo, las rbitas se agrupan en bandas de energa conocidas como capas. Untomo dado tiene un nmero fijo de capas. Cada capa tiene un nmero fijo mximo de electronesa niveles de energa permisibles. Las diferencias de los niveles de energa en una capa son mu-choms pequeas que las diferencias de energa entre capas. Las capas se designan 1, 2, 3 y assucesivamente, y la 1 es la ms cercana al ncleo. La figura 1-3 muestra este concepto de bandade energa: la primera capa tiene un nivel de energa y la segunda tiene dos niveles de energa.Pueden existir ms capas en otros tipos de tomos, segn el elemento.Nmero de electrones en cada capa El nmero mximo de electrones (Ne) que puede exis-tiren cada capa de un tomo es un hecho de la naturaleza y se calcula con la frmulaNe2n2 Ecuacin 11 22. 4 INTRODUCCIN A LOS SEMICONDUCTORESNivel deenergaCapa 2Ncleo Capa 1 FIGURA 13La energa se incrementa amedida que se incrementa ladistancia al ncleo.donde n es el nmero de la capa. La capa ms interna es la nmero 1, la siguiente es la nmero 2y as sucesivamente. El nmero mximo de electrones que puede existir en la capa ms interna(capa 1) esNe = 2n2 = 2(1)2 = 2El nmero mximo de electrones que puede existir en la segunda capa esNe = 2n2 = 2(2)2 = 2(4) = 8El nmero mximo de electrones que puede existir en la tercera capa esNe = 2n2 = 2(3)2 = 2(9) = 18El nmero mximo de electrones que puede existir en la cuarta capa esNe = 2n2 = 2(4)2 = 2(16) = 32Electrones de valenciaLos electrones que describen rbitas alejadas del ncleo tienen ms energa y estn flojamenteenlazados al tomo que aquellos ms cercanos al ncleo. Esto se debe a que la fuerza de atrac-cinentre el ncleo cargado positivamente y el electrn cargado negativamente disminuye con ladistancia al ncleo. En la capa ms externa de un tomo existen electrones con un alto nivel deenerga y estn relativamente enlazados al ncleo. Esta capa ms externa se conoce como la capade valencia y los electrones presentes en esta capa se llaman electrones de valencia. Estos elec-tronesde valencia contribuyen a las reacciones qumicas y al enlace dentro de la estructura de unmaterial y determinan sus propiedades elctricas.IonizacinCuando un tomo absorbe energa de una fuente calorfica o luminosa, por ejemplo, las energasde los electrones se elevan. Los electrones de valencia poseen ms energa y estn ligeramenteenlazados al tomo que los electrones internos, as que pueden saltar con facilidad a rbitas ms al-tasdentro de la capa de valencia cuando el tomo absorbe energa externa.Si un tomo de valencia adquiere una cantidad suficiente de energa puede escapar con facili-dadde la capa externa y la influencia del tomo. La partida de un electrn de valencia deja a untomo previamente neutro con un exceso de carga positiva (ms protones que electrones). El pro-cesode perder un electrn de valencia se conoce como ionizacin y el tomo cargado positiva-menteresultante se conoce como ion positivo. 23. AISLANTES, CONDUCTORES Y SEMICONDUCTORES 5Por ejemplo, el smbolo qumico del hidrgeno es H. Cuando un tomo de hidrgeno neutropierde su electrn de valencia y se transforma en un ion positivo, se designa H. El electrn devalencia escapado se llama electrn libre.Para algunos materiales no metlicos tales como el cloro, un electrn libre puede ser cap-turadopor el tomo neutro y se forma un ion negativo. En el caso del cloro, el ion es ms estableque el tomo neutro porque su capa externa est completa. El ion de cloro se designa Cl-.1. Describa un tomo.2. Qu es un electrn?3. Qu es un electrn de valencia?4. Qu es un electrn libre?5. Cmo se forman los iones?REPASO DE LASECCIN 1-1Las respuestas seencuentranal final del captulo.12 AISLANTES, CONDUCTORES Y SEMICONDUCTORESEn funcin de sus propiedades elctricas, los materiales se clasifican en tres grupos:conductores, semiconductores y aislantes. Cuando los tomos se combinan para formar unmaterial slido cristalino, se acomodan en una configuracin simtrica. Los tomos dentrode la estructura cristalina se mantienen juntos gracias a los enlaces covalentes, que soncreados por la interaccin de los electrones de valencia de los tomos. El silicio es unmaterial cristalino.Al terminar esta seccin, usted ser capaz de: Describir los aislantes, conductores y semiconductores, y definir en qu difierenesencialmente Definir la parte central de un tomo Describir la estructura atmica del cobre, silicio, germanio y carbn Nombrar los cuatro mejores conductores Nombrar cuatro semiconductores Describir las diferencias entre conductores y semiconductores Describir la diferencia entre semiconductores de silicio y de germanio Describir el enlace covalente en el silicioTodos los materiales estn compuestos por tomos; stos contribuyen a las propiedades elc-tricasde un material, incluida su capacidad de conducir corriente elctrica.Para propsitos de anlisis de las propiedades elctricas, un tomo se puede representar porla capa de valencia y una parte central compuesta de todas las capas internas y el ncleo. La fi-gura1-4 ilustra este concepto usando un tomo de carbn (el carbn se utiliza en algunos tiposde resistores elctricos). Observe que el tomo de carbn tiene cuatro electrones en la capa de va-lenciay dos en la capa interna. El ncleo est compuesto por seis protones y seis neutrones, porlo que 6 indica la carga positiva de los seis protones. La parte central tiene una carga neta de4 (6 para el ncleo y 2 para los dos electrones de capa interna).AislantesUn aislante es un material que no conduce corriente elctrica en condiciones normales. La ma-yorade los buenos aislantes son materiales compuestos, es decir, no formados por slo un ele- 24. 6 INTRODUCCIN A LOS SEMICONDUCTORESElectrn de valencia FIGURA 14Diagrama de un tomo decarbn. Parte central (+4)+6mento. Los electrones de valencia estn estrechamente enlazados a los tomos; por consiguiente,en un aislante hay muy pocos electrones libres. Algunos ejemplos de aislantes son el hule, el pls-tico,el vidrio, la mica y el cuarzo.ConductoresUn conductor es un material que conduce corriente elctrica fcilmente. La mayora de los me-talesson buenos conductores. Los mejores conductores son materiales de slo un elemento, talescomo cobre, plata, oro y aluminio, que estn caracterizados por tomos con slo un electrn devalencia muy flojamente enlazado al tomo. Estos electrones de valencia flojamente enlazados seconvierten en electrones libres. Por consiguiente, en un material conductor, los electrones libresson electrones de valencia.SemiconductoresUn semiconductor es un material a medio camino entre los conductores y los aislantes, en loque a su capacidad de conducir corriente elctrica respecta. Un semiconductor en estado puro (in-trnseco)no es ni buen conductor ni buen aislante. Los semiconductores ms comunes de slo unelemento son el silicio, el germanio y el carbn. Los semiconductores compuestos, tales como elarseniuro de galio y el fosfuro de indio, tambin son de uso comn. Los semiconductores de unsolo elemento estn caracterizados por tomos con cuatro electrones de valencia.Bandas de energaRecuerde que la capa de valencia de un tomo representa una banda de niveles de energa y quelos electrones de valencia estn confinados a dicha banda. Cuando un electrn adquiere suficien-teenerga adicional puede abandonar la capa de valencia, convertirse en un electrn libre y exis-tiren lo que se conoce como banda de conduccin.La diferencia de energa entre la banda de valencia y la banda de conduccin se llama bandaprohibida. sta es la cantidad de energa que un electrn de valencia debe tener para saltar de labanda de valencia a la de conduccin. Una vez en la banda de conduccin, el electrn es libre demoverse por todo el material y no queda enlazado a ningn tomo dado.La figura 1-5 muestra diagramas de energa de aislantes, semiconductores y conductores: laparte (a) muestra que los aislantes tiene una banda prohibida muy ancha. Los electrones de valen-ciano saltan a la banda de conduccin excepto en condiciones de ruptura en las que se aplican vol-tajesextremadamente altos a travs del material. La parte (b) ilustra cmo los semiconductorestienen una banda prohibida mucho ms angosta, la cual permite que algunos tomos de valenciasalten a la banda de conduccin y se conviertan en electrones libres. En contraste, como la parte(c) lo muestra, las bandas de energa en conductores se traslapan. En un material conductor me-tlicosiempre existe un mayor nmero de electrones de valencia que electrones libres.Comparacin de un tomo semiconductor con un tomo conductorEl silicio es un semiconductor y el cobre es un conductor. La figura 1-6 muestra diagramas del tomode silicio y del tomo de cobre. Observe que la parte central del tomo de silicio tiene una carganeta de 4 (14 protones10 electrones) y la parte central del tomo de cobre tiene una carga netade 1 (29 protones 28 electrones). La parte central incluye todo, excepto los electrones de valencia.NOTA TCNICADespus del silicio, elsegundo materialsemiconductor ms comnes el arseniuro de galio.ste es un compuestocristalino, no un elemento;sus propiedades pueden sercontroladas variando lacantidad relativa de galio yarsnico. El GaAs tiene laventaja de producirdispositivos semiconductoresque responden muy rpidoa las seales elctricas. Estolo hace ser mejor que elsilicio para aplicacionescomo amplificacin deseales de alta frecuencia(1 GHz a 10 GHz)transmitidas por satlites deTV, por ejemplo. Ladesventaja principal delGaAs es que es ms difcilde fabricar y los productosqumicos implicados confrecuencia son bastantevenenosos. 25. AISLANTES, CONDUCTORES Y SEMICONDUCTORES 7Energa Energa EnergaBanda de conduccinBanda prohibidaBanda de valenciaBanda de conduccinBanda prohibidaBanda de valenciaBanda de conduccinBanda de valencia0 0 0(a) Aislante (b) Semiconductor (c) ConductorTraslapeParte central (+4)El electrn de valencia del tomo de cobre siente una fuerza de atraccin de 1, en compa-racincon un electrn de valencia del tomo de silicio, que siente una fuerza de atraccin de4. Por consiguiente, existe ms fuerza que trata de retener un electrn de valencia en el tomode silicio que en el de cobre. El electrn de valencia del cobre se encuentra en la cuarta capa, queest a mayor distancia de su ncleo que el electrn de valencia del silicio, residente en la terceracapa. Recuerde que los electrones ms alejados del ncleo tienen ms energa: el electrn de va-lenciadel cobre tiene ms energa que el electrn de valencia del silicio. Esto significa que es msfcil que los electrones de valencia del cobre adquieran suficiente energa adicional para escaparde sus tomos y convertirse en electrones libres que los del silicio. En realidad, un gran nmerode electrones de valencia en cobre ya tienen suficiente energa como para convertirse en electro-neslibres a temperatura ambiente normal.Silicio y germanioLa figura 1-7 permite comparar las estructuras atmicas del silicio y el germanio. El silicio es,por mucho, el material ms utilizado en diodos, transistores, circuitos integrados y otros disposi-tivossemiconductores. Observe que tanto el silicio como el germanio tienen los cuatro electronesde valencia caractersticos.Los electrones de valencia del germanio residen en la cuarta capa, mientras que los del silicioestn en la tercera, ms cerca al ncleo. Esto significa que los electrones de valencia del germanio FIGURA 15Diagramas de energa para lostres tipos de materiales.(a) tomo de silicio (b) tomo de cobreParte central (+1)Electrones de valenciaElectrn de valencia+14+29 FIGURA 16Diagramas de los tomos desilicio y cobre. 26. 8 INTRODUCCIN A LOS SEMICONDUCTORESCuatro tomos de valenciaen la capa externa (de valencia)se encuentran a niveles de energa ms altos que aquellos en el silicio y, por consiguiente, requierenuna cantidad de energa adicional ms pequea para escaparse del tomo. Esta propiedad haceque el germanio sea ms inestable a altas temperaturas, lo que produce una excesiva corriente eninversa. Por eso el silicio es un material semiconductor ms utilizado.Enlaces covalentesLa figura 1-8 muestra cmo cada tomo de silicio se sita con cuatro tomos de silicio adyacentespara formar un cristal de silicio. Un tomo de silicio (Si), con sus cuatro electrones de valencia,comparte un electrn con cada uno de sus cuatro vecinos. Esto crea efectivamente ocho electronesde valencia compartidos por cada tomo y produce un estado de estabilidad qumica. Adems,compartir electrones de valencia produce enlaces covalentes que mantienen a los tomos juntos;cada electrn de valencia es atrado igualmente por los dos tomos adyacentes que lo comparten.La figura 1-9 muestra el enlace covalente de un cristal de silicio intrnseco. Un cristal intrnsecoes uno que no tiene impurezas. El enlace covalente en el germanio es similar porque tambin tie-necuatro electrones de valencia.tomo de germanio+14tomo de silicio+32 FIGURA 17Diagramas de tomos desilicio y germanio.(a) (b) El tomo de silicio central comparte un electrn concada uno de los cuatro tomos de silicio circundantes,con lo que se crea un enlace covalente con cada uno.Los tomos circundantes estn a su vez enlazados conlos otros tomos, y as sucesivamente.SiSi Si SiSi+4+4+4+4+4Diagrama de enlaces. Los signos negativos(en gris) representan los electrones de valenciacompartidos. FIGURA 18Ilustracin de enlacescovalentes de silicio. 27. CORRIENTE EN SEMICONDUCTORES 9 Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si FIGURA 19Enlaces covalentes en uncristal de silicio.1. Cul es la diferencia bsica entre conductores y aislantes?2. Cmo difieren los semiconductores de los conductores y aislantes?3. Cuntos electrones de valencia tiene un conductor tal como el cobre?4. Cuntos electrones de valencia tiene un semiconductor?5. Nombre tres de los mejores materiales conductores.6. Cul es el material semiconductor ms utilizado?7. Por qu un semiconductor tiene menos electrones libres que un conductor?8. Cuntos enlaces covalentes se forman?9. Qu significa el trmino intrnseco?10. Qu es un cristal?REPASO DE LASECCION 1-213 CORRIENTE EN SEMICONDUCTORESLa forma en que un material conduce corriente elctrica es importante para entender cmofuncionan los dispositivos electrnicos. En realidad no se puede entender la operacin de undispositivo tal como un diodo o transistor sin saber algo sobre corriente.Al terminar esta seccin, usted ser capaz de: Describir cmo se produce corriente en un semiconductor Describir un electrn de conduccin Definir hueco Explicar qu es un par electrn-hueco Describir la recombinacin Explicar la diferencia entre corriente de electrn y corriente de huecoComo aprendi anteriormente, los electrones de un tomo pueden existir slo dentro de ban-dasde energa prescritas. Cada capa alrededor del ncleo corresponde a cierta banda de energay est separada de bandas adyacentes por bandas prohibidas, en las cuales no pueden existir elec-trones.La figura 1-10 muestra el diagrama de bandas de energa de un tomo no excitado (sinenerga externa tal como calor) en un cristal de silicio puro. Esta condicin ocurre slo a una tem-peraturadel 0 absoluto en Kelvin. 28. 10 INTRODUCCIN A LOS SEMICONDUCTORESEnergaBanda prohibidaBanda prohibidaBanda prohibidaBanda de conduccinBanda de valenciaSegunda banda (capa 2)Primera banda (capa 1)Ncleo 0 FIGURA 110Diagrama de bandas deenerga de un tomo excitadoen un cristal de silicio puro(intrnseco). En la banda deconduccin no hay electrones.Electrones de conduccin y huecosUn cristal de silicio intrnseco (puro) a temperatura ambiente tiene energa calorfica (trmica)suficiente para que algunos electrones de valencia salten la banda prohibida desde la banda de va-lenciahasta la banda de conduccin, convirtindose as en electrones libres, que tambin se conocencomo electrones de conduccin. Esto se ilustra en el diagrama de energa de la figura 1-11(a) yel diagrama de enlaces de la figura 1-11(b).EnergaBanda deconduccinBanda devalenciaBanda prohibidaElectrnlibreHueco(a) Diagrama de energaPar electrn-hueco+4+4HuecoElectrnlibre(b) Diagrama de enlacesEnergacalorficaEnergacalorfica FIGURA 111Creacin de pares electrn-huecoen un cristal de silicio.Los electrones en la banda deconduccin son electroneslibres.Cuando un electrn salta a la banda de conduccin, deja un espacio vaco en la banda de va-lenciadentro del cristal. Este espacio vaco se llama hueco. Por cada electrn elevado a la bandade conduccin por medio de energa externa queda un hueco en la banda de valencia y se crea loque se conoce como par electrn-hueco; ocurre una recombinacin cuando un electrn debanda de conduccin pierde energa y regresa a un hueco en la banda de valencia.Resumiendo, un trozo de silicio intrnseco a temperatura ambiente tiene, en cualquier instan-te,varios electrones de banda de conduccin (libres) que no estn enlazados a ningn tomo y enesencia andan a la deriva por todo el material. Tambin existe un nmero igual de huecos en labanda de valencia que se crean cuando estos electrones saltan a la banda de conduccin (veala figura 1-12). 29. CORRIENTE EN SEMICONDUCTORES 11 Si Si Si Si Si Si Si Si Si SiSi Si Si Si Si Si Si Si Si SiGeneracin de un parelectrn-huecoRecombinacin de unelectrn con un huecoEnerga calorfica FIGURA 112Pares electrn-hueco en uncristal de silicio.Continuamente se generanelectrones libres mientras quealgunos se recombinan conhuecos.Corriente de electrn y huecoCuando se aplica voltaje a travs de un trozo de silicio intrnseco, como muestra la figura 1-13,los electrones libres generados trmicamente presentes en la banda de conduccin (que se muevenlibremente y al azar en la estructura cristalina) son entonces fcilmente atrados hacia el extremopositivo. Este movimiento de electrones es un tipo de corriente en un material semiconductor yse llama corriente de electrn. Si Si Si Si Si Si Si Si SiSi Si Si Si SiVSi+ FIGURA 113La corriente de electrones ensilicio intrnseco se producepor el movimiento deelectrones libres generadostrmicamente.Otro tipo de corriente ocurre en la banda de valencia, donde existen los huecos creados por loselectrones libres. Los electrones que permanecen en la banda de valencia siguen estando unidosa sus tomos y no pueden moverse al azar en la estructura cristalina como lo hacen los electroneslibres. No obstante, un electrn de valencia puede moverse a un hueco cercano con poco cambioen su nivel de energa y por lo tanto deja otro hueco en el lugar de donde vino: el hueco se habrmovido entonces de un lugar a otro en la estructura cristalina, como se puede ver en la figura 1-14.Aun cuando la corriente en la banda de valencia es producida por electrones de valencia, se lla-macorriente de hueco para distinguirla de la corriente de electrn en la banda de conduccin.Como ya se ha visto, se considera que la conduccin en semiconductores es el movimiento deelectrones libres en la banda de conduccin o el movimiento de huecos en la banda de valencia,que en realidad es el movimiento de electrones de valencia a tomos cercanos con lo que se creacorriente de hueco en la direccin opuesta.Es interesante contrastar los dos tipos de movimiento de carga en un semiconductor con elmovimiento de carga en un conductor metlico, tal como el cobre. Los tomos de cobre formanun tipo de cristal diferente en el que los tomos no estn enlazados covalentemente entre s, sinoque se componen de un mar de ncleos de iones positivos, los cuales son tomos sin sus elec-tronesde valencia. Los electrones de valencia estn enlazados a los iones positivos, lo que man-tienea los iones positivos juntos y les permite formar el enlace metlico. Los electrones devalencia no pertenecen a un tomo dado, sino al cristal en conjunto. Debido a que los electronesde valencia en el cobre se mueven libremente, la aplicacin de un voltaje produce corriente. Exis-teslo un tipo de corriente el movimiento de electrones libres porque no existen huecosen la estructura cristalina metlica. 30. 12 INTRODUCCIN A LOS SEMICONDUCTORESUn electrn libredeja un hueco en lacapa de valenciaUn electrn de valenciase desplaza al 2o. huecoy deja un 3er. huecoUn electrn de valenciase desplaza al 4o. huecoy deja un 5o. hueco1Un electrn de valenciase desplaza hacia el 1er.hueco y deja un2o. hueco5 3Un electrn de valenciase desplaza al 3er. huecoy deja un 4o. huecoUn electrn de valenciase desplaza al 5o. huecoy deja un 6o. hueco6 4 2Si Si SiCuando un electrn de valencia se desplaza de izquierda a derecha mientras deja detrs un hueco, ste se hamovido efectivamente de derecha a izquierda. Las flechas gruesas indican el movimiento efectivo de un hueco. FIGURA 114Corriente de huecos en siliciointrnseco.1. Hay electrones libres en la banda de valencia o en la banda de conduccin?2. Cules electrones son responsables de la corriente de electrn en el silicio?3. Qu es un hueco?4. A qu nivel de energa ocurre un hueco?REPASO DE LASECCIN 1-314 SEMICONDUCTORES TIPO N Y TIPO PLos materiales semiconductores en su estado intrnseco no conducen bien la corriente y suvalor es limitado. Esto se debe al nmero limitado de electrones libres presentes en la banda deconduccin y huecos presentes en la banda de valencia. El silicio intrnseco (o germanio) sedebe modificar incrementando el nmero de electrones libres o huecos para aumentar suconductividad y hacerlo til en dispositivos electrnicos. Esto se hace aadiendo impurezas almaterial intrnseco. Dos tipos de materiales semiconductores extrnsecos (impuros), el tipo n yel tipo p, son los bloques de construccin fundamentales en la mayora de los tipos dedispositivos electrnicos.Al terminar esta seccin, usted ser capaz de: Describir las propiedades de semiconductores tipo n y tipo p Definir dopado Explicar cmo se forman los semiconductores tipo n Explicar cmo se forman los semiconductores tipo p Describir un portador de mayoritario y un portador minoritarioDopadoLa conductividad del silicio y el germanio se incrementa drsticamente mediante la adicin con-troladade impurezas al material semiconductor intrnseco (puro). Este proceso, llamado dopa-do,incrementa el nmero de portadores de corriente (electrones o huecos). Los dos portadoresde impurezas son el tipo n y el tipo p. 31. SEMICONDUCTORES TIPO N Y TIPO P 13Semiconductor tipo NPara incrementar el nmero de electrones de banda de conduccin en silicio intrnseco se agre-gantomos de impureza pentavalente. Estos son tomos son cinco electrones de valencia talescomo arsnico (As), fsforo (P), bismuto (Bi) y antimonio (Sb).Como ilustra la figura 1-15, cada tomo pentavalente (antimonio, en este caso) forma enlacescovalentes con cuatro tomos de silicio adyacentes. Se utilizan cuatro de los electrones de valen-ciadel tomo de antimonio para formar enlaces covalentes con tomos de silicio y queda un elec-trnextra. Este electrn extra llega a ser un electrn de conduccin porque no interviene en elenlace. Como el tomo pentavalente cede un electrn, se conoce como tomo donador. El nmerode electrones de conduccin puede ser controlado con cuidado mediante el nmero de tomos deimpureza agregados al silicio. Un electrn de conduccin creado mediante este proceso de dopadono deja un hueco en la banda de valencia porque excede el nmero requerido para llenarla.Electrn libre (de conduccin)proveniente de un tomo de SbSiSi SbSiSi FIGURA 115tomo de impurezapentavalente en unaestructura de cristal de silicio.Se muestra un tomo deimpureza de antimonio (Sb)en el centro. El electrn extraproveniente del tomo de Sbse convierte en electrn libre.Portadores mayoritarios y minoritarios Como la mayora de los portadores de corriente sonelectrones, el silicio (o el germanio) dopado con tomos pentavalentes es un semiconductor tipo n(n expresa la carga negativa de un electrn). Los electrones se conocen como portadores mayo-ritariosen material tipo n. Aunque la mayora de los portadores de corriente en un material tipo nson electrones, tambin existen algunos huecos que se crean cuando trmicamente se generan pa-reselectrn-hueco (estos huecos no se producen por la adicin de tomos de impureza pentava-lentes).Los huecos en un material tipo n reciben el nombre de portadores minoritarios.Semiconductor tipo PPara incrementar el nmero de huecos en silicio intrnseco, se agregan tomos de impureza tri-valentes:tomos con tres electrones de valencia tales como boro (B), indio (In) y galio (Ga). Co-momuestra la figura 1-16, cada tomo trivalente (boro, en este caso) forma enlaces covalentescon cuatro tomos de silicio adyacentes. Se utilizan los tres electrones de valencia del tomo deboro en los enlaces covalentes y, como son necesarios cuatro electrones, resulta un hueco cuandose agrega cada tomo trivalente. Como el tomo trivalente puede tomar un electrn, a menudo sehace referencia a l como tomo aceptor. El nmero de huecos se controla cuidadosamente conel nmero de tomos de impureza trivalente agregados al silicio. Un hueco creado mediante esteproceso de dopado no est acompaado por un electrn de conduccin (libre).Portadores mayoritarios y minoritarios Como la mayora de los portadores de corriente sonhuecos, el silicio (o germanio) dopado con tomos trivalentes se llama semiconductor tipo p. Los 32. 14 INTRODUCCIN A LOS SEMICONDUCTORES15 EL DIODOHueco del tomo de BSiSi BSiSi FIGURA 116tomo de impureza trivalente en unaestructura de cristal de silicio. Untomo de impureza de boro (B) semuestra en el centro.huecos son los portadores mayoritarios en un material tipo p. Aunque la mayora de los portado-resde corriente en un material tipo p son huecos, tambin existen algunos electrones de banda deconduccin que se crean cuando trmicamente se generan pares electrn-hueco. Estos electronesde banda de conduccin no se producen por la adicin de tomos de impureza trivalentes. Loselectrones de banda de conduccin en un material tipo p son los portadores minoritarios.1. Defina dopado.2. Cul es la diferencia entre un tomo pentavalente y un tomo trivalente? Cules otrosnombres reciben estos tomos?3. Cmo se forma un semiconductor tipo n?4. Cmo se forma un semiconductor tipo p?5. Cul es el portador mayoritario en un semiconductor tipo n?6. Cul es el portador mayoritario en un semiconductor tipo p?7. Mediante qu proceso se producen los portadores mayoritarios?8. Mediante qu proceso se producen los portadores minoritarios?9. Cul es la diferencia entre semiconductores intrnsecos y extrnsecos?Si se toma un bloque de silicio y se dopa una parte de l con una impureza trivalente y la otracon una impureza pentavalente, se forma un lmite llamado unin pn entre las partes tipo p ytipo n resultantes y se crea un diodo bsico. Un diodo es un dispositivo que conduce corrienteen slo una direccin. La unin pn es la caracterstica que permite funcionar a diodos, ciertostransistores y otros dispositivos.Al terminar esta seccin, usted ser capaz de: Describir un diodo y cmo se forma una unin pn Explicar la difusin a travs de una unin pn Explicar la formacin de la regin de empobrecimiento Definir el potencial de barrera y explicar su relevancia Formular los valores de potencial de barrera en el silicio y el germanioREPASO DE LASECCIN 1-4 33. EL DIODO 15Un material tipo p consta de tomos de silicio y tomos de impureza trivalentes tales como elboro. El tomo de boro agrega un hueco cuando se enlaza con los tomos de silicio. Sin embar-go,como el nmero de protones y el nmero de electrones son iguales en todo el material, noexiste carga neta en el material y por lo tanto es neutro.Un material de silicio tipo n se compone de tomos de silicio y tomos de impureza pentava-lentestales como el antimonio. Como ya se vio, un tomo de impureza libera un electrn cuandose enlaza a cuatro tomos de silicio. Como sigue habiendo un nmero igual de protones y elec-trones(incluidos los electrones libres) por todo el material, no existe carga neta en el material ypor lo tanto es neutro.Si un trozo de silicio intrnseco es dopado de tal forma que una parte es tipo n y la otra tipo p,se forma una unin pn en el lmite entre las dos regiones y se crea un diodo, como se indica enla figura 1-17(a). La regin p tiene muchos huecos (portadores mayoritarios) por lo tomos deimpureza y slo unos cuantos electrones libres trmicamente generados (portadores minorita-rios).La regin n tiene muchos electrones libres (portadores mayoritarios) por los tomos de im-purezay slo unos cuantos huecos trmicamente generados (portadores minoritarios).Formacin de la regin de empobrecimientoLos electrones libres en la regin n se mueven aleatoriamente en todas direcciones. En el instan-teen que se forma la unin pn, los electrones libres que se encuentran cerca de la unin en la re-ginn comienzan a difundirse a travs de la unin hacia la regin p, donde se combinan con loshuecos que se encuentran cerca de la unin, como se muestra en la figura 1-17(b).Antes de analizar la formacin de la unin pn, recuerde que existen tantos electrones comoprotones en el material tipo n, por lo que el material es neutro en funcin de la carga neta; lo mis-mose aplica al caso del material tipo p.Cuando se forma la unin pn, la regin n pierde electrones libres a medida que se difunden atravs de la unin. Esto crea una capa de cargas positivas (iones pentavalentes) cerca de la unin.A medida que los electrones se mueven a travs de sta, la regin p pierde huecos a medida quelos electrones y huecos se combinan. Esto crea una capa de cargas negativas (iones trivalentes)cerca de la unin. Estas dos capas de cargas positivas y negativas forman la regin de empobre-cimiento,como la figura 1-17(b) lo muestra. El trmino empobrecimiento se refiere al hecho deque la regin cercana a la unin pn se queda sin portadores de carga (electrones y huecos) debidounin pnregin p regin n(a) La estructura de diodo bsica en el instante de la formacinde la unin que muestra slo los portadores mayoritariosy minoritarios. Algunos electrones libres en la regin n cercade la unin pn comienzan a difundirse a travs de la uniny caen en huecos cerca de la unin en la regin p.NOTA HISTRICARegin de empobrecimientoregin p regin n++++++++Potencialde barreraPor cada electrn que se difunde a travs de la unin y secombina con un hueco, queda una carga positiva en laregin n, se crea una negativa en la regin p, y se formaun potencial de barrera. Esta accin contina hasta que elvoltaje de la barrera se opone a ms difusin. Las flechasentre las cargas positivas y negativas en la regin deempobrecimiento representan el campo elctrico.(b) FIGURA 117Formacin de la regin de empobrecimiento. El ancho de sta se muestra exagerada para propsitos deilustracin.Despus de la invencin delfoco incandescente, Edisoncontino experimentando yen 1883 encontr que podadetectar los electrones quefluan a travs del vaco delfilamento incandescente ala placa metlica montadaen el interior del foco. Estedescubrimiento lleg a serconocido como el efectoEdison.Un fsico ingls, JohnFleming, parti de dondeEdison se qued y encontrque el efecto Edisontambin poda ser utilizadopara detectar ondas deradio y convertirlas enseales elctricas. Continudesarrollando un tubo devaco de dos elementosllamado vlvula Fleming,ms adelante conocidacomo diodo. 34. 16 INTRODUCCIN A LOS SEMICONDUCTORESa la difusin a travs de la unin. Tenga en cuenta que la regin de empobrecimiento se formamuy rpido y que es muy delgada en comparacin con la regin n y la regin p.Despus del aumento sbito inicial de electrones libres a travs de la unin pn, la regin deempobrecimiento se expande hasta un punto donde se establece el equilibrio y no hay ms difusinde electrones a travs de la unin. Esto ocurre de la siguiente manera: conforme los electronescontinan difundindose a travs de la unin, ms y ms cargas positivas y negativas se crean cercade la unin a medida que se forma la regin de empobrecimiento. Se llega a un punto donde lacarga negativa total en la regin de empobrecimiento repele cualquier difusin adicional de elec-trones(partculas cargadas negativamente) hacia la regin p (las cargas iguales se repelen) y ladifusin se detiene. En otras palabras, la regin de empobrecimiento acta como barrera ante elmovimiento continuado de electrones a travs de la unin.Potencial de barrera En cualquier momento que exista una carga positiva y una carga negativa,una cerca de la otra, existe una fuerza que acta en la carga como lo describe la ley de Coulomb.En la regin de empobrecimiento existen muchas cargas positivas y muchas cargas negativas enlos lados opuestos de la unin pn. Las fuerzas entre las cargas opuestas forman un campo elctri-co,como se indica en la figura 1-17(b) mediante flechas entre las cargas positivas y las cargas ne-gativas.Este campo elctrico es una barrera para los electrones libres en la regin n y se debeconsumir energa para mover un electrn a travs del campo elctrico; es decir, se debe aplicarenerga externa para hacer que los electrones se muevan a travs de la barrera del campo elctri-coen la regin de empobrecimiento.La diferencia de potencial del campo elctrico a travs de la regin de empobrecimiento es lacantidad de voltaje requerido para mover electrones a travs del campo elctrico. Esta diferenciade potencial se llama potencial de barrera y se expresa en volts. Expresado de otra manera,se debe aplicar una cierta cantidad de voltaje igual al potencial de barrera y con la polaridad apro-piadaa travs de una unin pn para que los electrones comiencen a fluir a travs de la unin.Aprender ms al respecto cuando se analice la polarizacin en la seccin 1-6.El potencial de barrera de una unin pn depende de varios factores, incluido el tipo de mate-rialsemiconductor, la cantidad de dopado y la temperatura. El potencial de barrera tpico es apro-ximadamentede 0.7 V para el silicio y de 0.3 V para el germanio a 25C. Como los dispositivosde germanio son raros, se utilizar silicio en lo que resta del libro.Diagramas de energa de la unin PN y la regin de empobrecimientoLas bandas de valencia y conduccin de un material tipo n se encuentran a niveles de energa unpoco ms bajos que las bandas de valencia y conduccin en un material tipo p. Recuerde que elmaterial tipo p tiene impurezas trivalentes en tanto que el tipo n tiene impurezas pentavalentes.Las impurezas trivalentes ejercen fuerzas ms bajas sobre los electrones de la capa externa quelas impurezas pentavalentes. Las fuerzas ms bajas en materiales tipo p hacen que las rbitas delos electrones sean un poco ms grandes y que consecuentemente tengan una energa ms gran-deque las rbitas de los electrones en los materiales tipo n.La figura 1-18(a) muestra un diagrama de energa de una unin pn en el instante de su forma-cin.Como se puede ver, las bandas de valencia y conduccin de la regin n estn a niveles deenerga ms bajos que aquellas de la regin p, pero existe una cantidad significativa de traslape.Los electrones libres en la regin n que ocupan la parte superior de la banda de conduccin en fun-cinde su energa pueden difundirse con facilidad a travs de la unin (no tienen que adquirir ener-gaadicional) y temporalmente se convierten en electrones libres en la parte inferior de la banda deconduccin de la regin p. Despus de atravesar la unin, los electrones pierden energa con rapidezy caen en los huecos de la banda de conduccin de la regin p, como muestra la figura 1-18(a).Amedida que contina la difusin, la regin de empobrecimiento comienza a formarse y el nivelde energa de la banda de conduccin de la regin n se reduce. La reduccin del nivel de energa dela banda de conduccin en la regin n se debe a la prdida de electrones de alta energa que se handifundido a travs de la unin hacia la regin p. Pronto no quedan electrones en la banda de conduc-cinde la regin n con suficiente energa para atravesar la unin hacia la banda de conduccin de laregin p, como se indica por medio de la alineacin de la parte superior de la banda de conduccinde la regin n y la parte inferior de la banda de conduccin de la regin p en la figura 1-18(b). En esepunto, la unin est en equilibrio y la regin de empobrecimiento est completa porque la difusinha cesado. Existe un gradiente de energa, a travs de la regin de empobrecimiento, que acta comouna colina de energa que un electrn en la regin n debe escalar para llegar a la regin p.NOTA HISTRICARussell Ohl, que trabajabaen los laboratorios Bell en1940, se tropez con launin pn de semiconductor.Ohl estaba trabajando conuna muestra de silicio quetena una grieta accidental alo largo de su parte mediacuando observ que cuandola muestra se expona a laluz, la corriente que fluaentre los dos lados de lagrieta experimentada unsalto significativo. Estedescubrimiento fuefundamental para el trabajodel equipo que invent eltransistor en 1947. 35. POLARIZACIN DE UN DIODO 17Portadores mayoritariosPortadores mayoritariosObserve que en tanto el nivel de energa de la banda de conduccin de la regin n se ha des-plazadohacia abajo, el nivel de energa de la banda de valencia tambin se ha desplazado haciaabajo. An se requiere la misma cantidad de energa para que un electrn de valencia se convier-taen un electrn libre. En otras palabras, la banda prohibida entre la banda de valencia y la ban-dade conduccin no cambia.Portadores minoritariosPortadores minoritariosBanda deconduccinBanda devalencia0regin p unin pn regin nBanda deconduccinBanda devale