UNIDAD II. ELECTRÓNICA ANALÓGICA

II.1 Características de los semiconductoresEl término conductor se aplica a cualquier material que soporte un flujo

generoso de carga, cuando una fuente de voltaje de magnitud limitada se aplica a través de sus terminales.

Un aislante es un material que ofrece un nivel muy bajo de conductividad bajo la presión de una fuente de voltaje aplicada.

El prefijo semi suele aplicarse a un rango de niveles situado a la mitad de dos límites. Por lo tanto, un semiconductor, es un material que posee un nivel de conductividad sobre algún punto entre los extremos de un aislante y un conductor.

La conductividad de un material se relaciona de manera inversa con su resistencia al flujo de la carga o corriente. Esto es, mientras mas alto es el nivel de conductividad, menor es el nivel de resistencia. El termino resistividad (ρ, la letra griega rho) se utiliza a menudo para comparar los niveles de resistencia de los materiales. La resistividad de un material se obtiene de la siguiente ecuación (ver figura II.1)

l

RA=ρ

Donde:R = Resistencia (Ω)A = Área (cm2)l = Longitud (cm)ρ = Resistividad (Ω-cm)

Figura II.1 Definición de las unidades métricas de resistividad.

En la figura II.2 se muestran los valores típicos de resistividad para tres categorías amplias de materiales. El silicio (Si) y el germanio (Ge) no son los únicos materiales semiconductores; sin embargo, son los que mas interesan en el desarrollo de dispositivos semiconductores.

Figura II.2 Valores típicos de resistividad.

Observe en la figura II.2 el rango tan grande entre los materiales conductores y aislantes para la longitud de 1 cm de material. Dieciocho lugares separan la colocación del punto decimal de un número a otro.

Ge y Si han recibido la atención que tienen por varias razones:

Pueden ser fabricados con un muy alto nivel de pureza.

Sus características pueden alterarse en forma significativa a través de la aplicación de luz o calor (consideración importante para el desarrollo de dispositivos sensibles a la luz o al calor).

El átomo de Ge tiene 32 electrones en órbita, mientras que el Si tiene 14 electrones en varias órbitas (ver figura II.3).

Figura II.3 Estructura atómica: a) Germanio, b) Silicio.

En cada caso existen 4 electrones en la órbita exterior (valencia). Tanto el Ge como el Si son referidos como átomos tetravalentes, porque cada uno tiene 4 electrones de valencia.

En un cristal puro de germanio o silicio estos cuatro electrones de valencia se encuentran unidos a cuatro átomos adjuntos como se muestra en la figura II.4 para el silicio. Una unión de átomos fortalecida por el compartimiento de electrones se denomina unión covalente.

Figura II.4 Unión covalente del átomo de silicio.

Un electrón libre es muy sensible a los campos eléctricos aplicados, como los establecidos por las fuentes de voltaje o cualquier diferencia de potencial.

A temperatura ambiente existen aproximadamente 1.5 x 1010 portadores libres en un centímetro de cúbico de material intrínseco de silicio. A la misma temperatura, el material intrínseco de germanio tiene aproximadamente 2.5 x 1013 transmisores libres por centímetro cúbico. Un incremento en la temperatura de un semiconductor puede generar un incremento sustancial de en el número de electrones libres en el material.

Materiales Tipo n y Tipo p

Materiales intrínsecos: son aquellos semiconductores que han sido cuidadosamente refinados para reducir las impurezas a un nivel muy bajo.

Materiales extrínsecos: son aquellos semiconductores que han sido sometidos a un proceso de dopado.

Proceso de dopado: consiste en cambiar las características de un material de forma significativa, agregando ciertos átomos de impureza a un material semiconductor relativamente puro. Estas impurezas pueden cambiar totalmente las propiedades eléctricas del material.

Existen dos materiales extrínsecos de gran importancia para la fabricación de dispositivos semiconductores: el tipo n y el tipo p.

Material tipo nSe crea a través de la introducción (al germanio o al silicio) de elementos de

impureza que poseen 5 electrones de valencia (pentavalentes), como el antimonio, arsénico y fósforo. El efecto de estos elementos impuros se indica en la figura II.5 (utilizando antimonio como elemento de impureza).

Figura II.5 Impureza del antimonio en el material tipo n.

Observe que las cuatro uniones covalentes aún se encuentran presentes. Sin embargo; existe un quinto electrón adicional debido al átomo de impureza, mismo que se encuentra desasociado (relativamente libre) de cualquier unión covalente en particular. A las impurezas difundidas con cinco electrones de valencia se les llama átomos donores.

Material tipo pSe forma través de la introducción (al germanio o al silicio) de elementos de

impureza que poseen 3 electrones de valencia (trivalentes), como el boro, galio e indio. El efecto de alguno de elementos como el boro sobre el silicio, se indica en la figura II.6.

Figura II.6 Impureza del boro en el material tipo p.

Observe que ahora existe un número de electrones insuficiente para completar las uniones covalentes. A la vacante que resulte se le llama hueco, y se representa por un pequeño círculo o signo positivo debido a la ausencia de carga negativa. Por lo tanto, la vacante resultante aceptará con facilidad un electrón libre. A las impurezas difundidas con tres electrones de valencia se les conoce como átomos aceptores.

En un material tipo n al electrón se le llama portador mayoritario y el hueco es el portador minoritario. En un material tipo p el hueco es el portador mayoritario y el electrón es el portador minoritario. Ver figura II.7.

Figura II.7 Material tipo n y material tipo p.

II.2 Dispositivos semiconductores

II.2.1 DiodoEl diodo es el más sencillo de los dispositivos semiconductores, pero

desempeña un papel muy importante en los sistemas electrónicos. Sus características son muy similares a un interruptor. Antes de analizar la construcción y las características de un dispositivo real, primero se considera el dispositivo ideal para ofrecer una base de comparación.

El diodo ideal es un dispositivo con dos terminales, que tiene el símbolo y características que se muestran en la figura II.8.

Figura II.8 Diodo ideal: a) símbolo; b) características.

De manera ideal, un diodo conducirá corriente en la dirección que define la flecha en el símbolo, y actuará como un circuito abierto en cualquier intento por establecer corriente en dirección opuesta. En esencia, las características de un diodo ideal son aquellas de un interruptor que puede conducir corriente en una sola dirección.

El diodo ideal es un circuito cerrado para la región de conducción y es un circuito abierto para la región de no conducción (figura II.9).

Figura II.9 a) Estados de conducción y b) no conducción del diodo ideal según está determinado por la polarización aplicada.

Como el diodo es un dispositivo de dos terminales, la aplicación de un voltaje a través de sus terminales permite tres posibilidades:

a) Sin polarización ( V D = 0 V). En ausencia de un voltaje de polarización aplicado, el flujo neto de la carga en cualquier dirección para un diodo semiconductor es cero. El símbolo para el diodo se repite en la figura II.10 con las regiones tipo n y tipo p asociadas. Observe que la flecha está asociada con el material tipo p y la barra con la región de tipo n.

Figura II.10 Condiciones para un diodo sin polarización.

b) Polarización inversa ( V D < 0 V). A la corriente que existe bajo las condiciones de polarización inversa se le llama corriente de saturación inversa y se representa mediante IS. Las condiciones de polarización inversa se describen en la figura II.11 para el símbolo del diodo y la unión p – n. Se observa que la dirección de IS es contra la flecha del símbolo, y también que el potencial negativo está conectado al material tipo p y el potencial positivo al material tipo n.

Figura II.11 Condiciones de polarización inversa para un diodo.

c) Polarización directa ( V D > 0 V) . Una condición de polarización directa o “encendido” se establece al aplicar el potencial positivo al material tipo p y el potencial negativo al material tipo n como se muestra en la figura II.12.

Figura II.12 Condiciones de polarización directa para un diodo.

La notación que más se suele utilizar para los diodos semiconductores se presenta en la figura II.13. Para la mayor parte de los diodos cualquier marca, como un punto o banda aparece en el extremo del cátodo.

Figura II.13 Notación de los diodos semiconductores.

En la figura II.14 se indican las características más importantes y las condiciones de aplicación de los modelos aproximados e ideales de los diodos.

Figura II.14 Modelos de diodo semiconductor aproximado e ideal.

II.2.1 TransistorEl transistor es un dispositivo semiconductor de 3 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. Ambos se muestran en la figura II.15 con la polarización de CD adecuada.

Figurar II.15 Tipos de transistores: a) pnp; b) npn.

Para la polarización que se muestra en la figura II.15 las terminales se indican mediante las literales E para el emisor, C para el colector y B para la base.

Existen dos tipos de transistores bipolares: el NPN y el PNP, los cuales se muestran en la siguiente figura. En el NPN la corriente entra por el colector y sale por el emisor y en la base se aplica una señal de control. En el PNP la corriente entra por el emisor y sale por el colector y en la base se aplica una señal de control.

Modo de operación del transistor NPN:Normalmente esta apagado, pero una pequeña corriente de entrada en la base y un voltaje positivo con respecto al emisor lo enciende. Es decir, permite que fluya una corriente del colector al emisor. Opera cuando el voltaje en el colector es mayor que el voltaje en el emisor. Se utiliza en aplicaciones de conmutación y amplificación. La corriente en la base puede ser pequeña y se enciende el transistor y se controla una corriente mayor.

Modo de operación del transistor PNP:Normalmente esta apagado, pero una pequeña corriente de salida y un voltaje negativo con respecto al emisor lo enciende. Es decir, permite que fluya una corriente mayor del emisor al colector. Opera cuando el voltaje en el emisor es mayor que el voltaje en el colector. Se utiliza en aplicaciones de conmutación y

+ Colector I

C

– Emisor I

E

+ Base I

B

NPN

– Colector I

C

+ Emisor I

E

– Base I

B

PNP

amplificación. La corriente en la base puede ser pequeña y se enciende el transistor y se controla una corriente mayor.

En la siguiente gráfica se muestra la curva característica de un transistor bipolar, esta curva describe los efectos que la corriente de base IB y el voltaje de emisor a colector VEC tienen sobre las corrientes de emisor y colector (IE y IC).

Región de saturación.Se refiere a la región de operación donde fluye la máxima corriente de colector y el transistor se comporta como un interruptor cerrado de colector a emisor.

Región de saturación

Región de corte

Región activa

Región activa.Describe la operación del transistor en la región a la derecha de la zona de saturación, y encima de la zona de corte, donde existe una relación casi lineal entre las terminales de corriente.

Región de corte.Se refiere a la zona donde el transistor se comporta como un circuito abierto, solo una corriente muy pequeña llamada corriente de fuga fluye en este modo de operación.

MOSFET (Metal-Oxide Field Effect Transistor).Hay dos tipos de MOSFET: de canal N y de canal P. La diferencia principal de un MOSFET cuando se usa para conmutación con respecto a un transistor bipolar, es que no entra corriente a la compuerta para lograr el control. El voltaje de compuerta es la señal de control. Por lo tanto los circuitos de excitación se simplifican dado que no es necesario ocuparse de la magnitud de la corriente. Con los MOSFET son posibles las conmutaciones a muy altas frecuencias (hasta 1 MHz), además la interconexión con un microprocesador es mas sencilla que con transistores bipolares.

Canal N

Drenaje

Fuente

Compuerta

Canal P

Fuente

Drenaje

Compuerta

Tiristor o SCR (Rectificador controlado de Silicio).

Es un diodo con una compuerta que controla las condiciones en las que se activa. Si la corriente en la compuerta es 0 en el tiristor pasará una corriente despreciable cuando la polarización es inversa. Si el tiristor tiene polarización directa, la corriente también es despreciable hasta que se rebasa el voltaje de ruptura (VR). Cuando esto sucede el voltaje del diodo desciende a un nivel bajo de uno o dos volts y lo único que limita la corriente es la resistencia externa en un circuito. En la siguiente figura se muestra la curva característica de un tiristor.

Ánodo Cátodo

+ –

Compuerta (Vg)

VR

I

Formas de encender el tiristor: Que el tiristor alcance su voltaje de ruptura. Pasando voltaje a la compuerta.

Formas de apagar el tiristor: Abriendo el circuito, para que al ánodo no le llegue corriente. Pasarle un voltaje negativo a la compuerta. Invirtiendo la polaridad del ánodo con respecto al cátodo (con

algún otro circuito adicional).

TRIAC (Tiristor bidireccional).Es similar a un tiristor y equivalente a un par de tiristores conectados en forma inversa y en paralelo, como se muestra en la siguiente figura.

El TRIAC se activa tanto en sentido directo como en inverso. Los TRIACs son un medio sencillo y barato para controlar potencia de corriente alterna. La siguiente figura muestra la curva característica del TRIAC.

Terminal 1

Terminal 2

Compuerta

V

I