I.-DIODOS SEMICONDUCTORES diodo corriente eléctrica

I.-DIODOS SEMICONDUCTORES
Un diodo (del griego "dos caminos") es un dispositivo semiconductor que permite el paso de la
corriente eléctrica en una única dirección con características similares a un interruptor. De
forma simplificada, la curva característica de un diodo (I-V) consta de dos regiones: por debajo
de cierta diferencia de potencial, se comporta como un circuito abierto (no conduce), y por
encima de ella como un corto circuito con muy pequeña resistencia eléctrica.
Debido a este comportamiento, se les suele denominar rectificadores, ya que son dispositivos
capaces de convertir una corriente alterna en corriente continua
1.1.- Diodo pn o Unión pn
Los diodos pn, son uniones de dos materiales semiconductores extrínsecos tipos p y
n, por lo que también reciben la denominación de unión pn. Hay que destacar que
ninguno de los dos cristales por separado tiene carga eléctrica, ya que en cada cristal,
el número de electrones y protones es el mismo, de lo que podemos decir que los dos
cristales, tanto el p como el n, son neutros.
Al unir ambos cristales, se manifiesta una difusión de electrones del cristal n al p (Je).
Al establecerse estas corrientes aparecen cargas fijas en una zona a ambos lados de
la unión, zona que recibe diferentes denominaciones como zona de carga espacial,
de agotamiento, de deplexión, de vaciado, etc.
A medida que progresa el proceso de difusión, la zona de carga espacial va
incrementando su anchura profundizando en los cristales a ambos lados de la unión.
Sin embargo, la acumulación de iones positivos en la zona n y de iones negativos en
la zona p, crea un campo eléctrico (E) que actuará sobre los electrones libres de la
zona n con una determinada fuerza de desplazamiento, que se opondrá a la
corriente de electrones y terminará deteniéndolos.
Este campo eléctrico es equivalente a decir que aparece una diferencia de tensión
entre las zonas p y n. Esta diferencia de potencial (V0) es de 0,7 V en el caso del silicio
y 0,3 V si los cristales son de germanio.
Al dispositivo así obtenido se le denomina diodo, al extremo p, se le denomina ánodo,
representándose por la letra A, mientras que la zona n, el cátodo, se representa por la
letra C (o K).
1.2.- Polarización del diodo semiconductor
1.2.1.- Polarización directa
En este caso, la batería
disminuye la barrera de potencial
de la zona de carga espacial,
permitiendo el paso de la
corriente de electrones a través
de la unión; es decir, el diodo
polarizado directamente conduce
la electricidad.
Para que un diodo esté
polarizado directamente, tenemos
que conectar el polo positivo de la
batería al ánodo del diodo y el
polo negativo al cátodo. En estas
condiciones podemos observar:
El polo negativo de la batería repele los electrones libres del cristal n, con lo que estos
electrones se dirigen hacia la unión p-n.



El polo positivo de la batería atrae a los electrones de valencia del cristal p,
esto es equivalente a decir que empuja a los huecos hacia la unión p-n.
Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batería es mayor que
la diferencia de potencial en la zona de carga espacial, los electrones libres del
cristal n, adquieren la energía suficiente para saltar a los huecos del cristal p,
los cuales previamente se han desplazado hacia la unión p-n.
Una vez que un electrón libre de la zona n salta a la zona p atravesando la
zona de carga espacial, cae en uno de los múltiples huecos de la zona p
convirtiéndose en electrón de valencia. Una vez ocurrido esto el electrón es
atraído por el polo positivo de la batería y se desplaza de átomo en átomo
hasta llegar al final del cristal p, desde el cual se introduce en el hilo conductor
y llega hasta la batería.
De este modo, con la batería cediendo electrones libres a la zona n y atrayendo
electrones de valencia de la zona p, aparece a través del diodo una corriente eléctrica
constante hasta el final.
1.2.2.- Polarización Inversa
En este caso, el polo negativo de la
batería se conecta a la zona p y el
polo positivo a la zona n, lo que
hace aumentar la zona de carga
espacial, y la tensión en dicha zona
hasta que se alcanza el valor de la
tensión de la batería, tal y como se
explica a continuación:


El polo positivo de la batería
atrae a los electrones libres
de la zona n, los cuales
salen del cristal n y se
introducen en el conductor
dentro del cual se desplazan
hasta llegar a la batería.
El polo negativo de la
batería cede electrones
libres a los átomos trivalentes de la zona p.

En esta situación, el diodo no debería conducir la corriente; sin embargo,
debido al efecto de la temperatura se formarán pares electrón-hueco a ambos
lados de la unión produciendo una pequeña corriente (del orden de 1 μA)
denominada corriente inversa de saturación. Además, existe también una
denominada corriente superficial de fugas la cual, como su propio nombre
indica, conduce una pequeña corriente por la superficie del diodo, esta
corriente generalmente es despreciable.
1.2. 3.- Curva característica del diodo

Tensión umbral, de codo o de partida (Vγ ).
La tensión umbral (también
llamada barrera de potencial) de
polarización directa coincide en
valor con la tensión de la zona de
carga espacial del diodo no
polarizado.
Al
polarizar
directamente el diodo, la barrera de
potencial inicial se va reduciendo,
incrementando
la
corriente
ligeramente, alrededor del 1% de la
nominal. Sin embargo, cuando la
tensión externa supera la tensión
umbral, la barrera de potencial
desaparece, de forma que para
pequeños incrementos de tensión se
producen grandes variaciones de la intensidad de corriente.

Corriente máxima (Imax ).
Es la intensidad de corriente máxima que puede conducir el diodo sin fundirse
por el efecto Joule. Dado que es función de la cantidad de calor que puede
disipar el diodo, depende sobre todo del diseño del mismo.

Corriente inversa de saturación (Is ).
Es la pequeña corriente que se establece al polarizar inversamente el diodo por
la formación de pares electrón-hueco debido a la temperatura, admitiéndose
que se duplica por cada incremento de 10º en la temperatura.

Corriente superficial de fugas.
Es la pequeña corriente que circula por la superficie del diodo (ver polarización
inversa), esta corriente es función de la tensión aplicada al diodo, con lo que al
aumentar la tensión, aumenta la corriente superficial de fugas.

Tensión de ruptura (Vr ).
Es la tensión inversa máxima que el diodo puede soportar antes de darse el
efecto avalancha.
Teóricamente, al polarizar inversamente el diodo, este conducirá la corriente inversa
de saturación; en la realidad, a partir de un determinado valor de la tensión, en el
diodo normal o de unión abrupta la ruptura se debe al efecto avalancha; no obstante
hay otro tipo de diodos, como los Zener, que trabajan con tensión inversa.
1.3.- APLICACIONES DE LOS DIODOS SEMICONDUCTORES
1.3.1.- Rectificador de media onda
El rectificador de media onda es un circuito
empleado para eliminar la parte negativa o
positiva de una señal de corriente alterna de
entrada (Vi) convirtiéndola en corriente directa de
salida (Vo).
Análisis del circuito
Los diodos ideales, permiten el paso de toda la corriente en una única dirección, la
correspondiente a la polarización directa, y no conducen cuando se polarizan
inversamente. Además su voltaje es cero.
Polarización directa
En este caso, el diodo permite el paso de la corriente sin restricción, provocando una
caída de potencial que suele ser de 0.7 V.
Vo = Vi - VD → Vo = Vi - 0.6 V
y la intensidad de la corriente puede fácilmente calcularse mediante la ley de Ohm:
Polarización inversa
En este caso, el diodo no conduce, quedando el circuito abierto. La tensión de salida es
nula, al igual que la intensidad de la corriente:
Vo = 0
I=0
Tensión rectificada
Como acabamos de ver, la curva de transferencia, que relaciona las tensiones de
entrada y salida, tiene dos tramos: para tensiones de entrada negativas la tensión de
salida es nula, mientras que para entradas positivas, la tensión se reduce en 0.6V. El
resultado es que en la carga se ha eliminado la parte negativa de la señal de entrada.
→
El voltaje de salida Vo en RL es igual a:
Luego entonces
Vo = Vcc = Vp/
→
S el Voltaje del secundario de un transformador es de 12 Vrms, entonces el voltaje de salida en
la resistencia de carga RL será igual a:
Vp = Vrms x 1.4142= 12 x 1.4142=16.97
Si tenemos en cuenta que el diodo con la RL están en serie, entonces en el diodo hay una caída
de tensión de 0.7 voltios, por lo tanto el voltaje de salida en RL será igual a:
Vcc= (16.97/π) - 0.7= 4.7 voltios
1.3.2.- Rectificador de onda completa
Un Rectificador de onda completa es un circuito empleado para convertir una señal
de corriente alterna de entrada (Vi) en corriente directa de salida (Vo) pulsante. A
diferencia del rectificador de media onda, en este caso, la parte negativa de la señal se
convierte en positiva o bien la parte positiva de la señal se convertirá en negativa,
según se necesite una señal positiva o negativa de corriente continua.
Existen dos alternativas, bien empleando dos diodos o empleando cuatro (puente de
Graetz).
1.3.2.1.- Rectificador con dos diodos.
En el circuito de la figura, ambos diodos pueden
encontrarse simultáneamente en directa o en
inversa, ya que las diferencias de potencial a las
que están sometidos son de signo contrario; por
tanto uno se encontrará polarizado inversamente y
el otro directamente. La tensión de entrada (Vi) es,
en este caso, la mitad de la tensión del secundario
del transformador.
Tensión de entrada positiva
El diodo 1 se encuentra en directa (conduce), mientras que el 2 se encuentra en
inversa (no conduce). La tensión de salida es igual a la de entrada. El diodo 2 ha de
soportar
en
inversa
la
tensión
máxima
del
secundario.
Tensión de entrada negativa.
El diodo 2 se encuentra en directa (conduce),
mientras que el diodo 1 se encuentra en inversa
(no conduce). La tensión de salida es igual a la de
entrada pero de signo contrario. El diodo 1 ha de
soportar en inversa la tensión máxima del
secundario.
1.3.2.2.- Puente de Graetz o Puente Rectificador
En este caso se emplea cuatro diodos con la
disposición de la figura. Al igual que antes,
sólo son posibles dos estados de conducción,
o bien los diodos 1 y 3 están en directa y
conducen (tensión positiva) o por el contrario
son los diodos 2 y 4 los que se encuentran en
directa y conducen (tensión negativa).
A diferencia del caso anterior, ahora la tensión
máxima de salida es la del secundario del
transformador (el doble de la del caso
anterior), la misma que han de soportar los
diodos en inversa, al igual que en el rectificador con dos diodos. Esta es la
configuración usualmente empleada para la obtención de corriente continua
La tensión máxima en el circuito de salida es, para igual tensión del secundario del
trasformador:
Vo = Vi = Vs/2 en el rectificador con dos diodos.
Vo = Vi = Vs en el rectificador con puente de Graetz.
→
→
El voltaje de salida en un rectificador de onda completa es igual a:
1.3.3.- Multiplicador de
tensión
Un Multiplicador de tensión es un montaje hecho con diodos y condensadores que
suma la tensión en cada etapa.
La figura muestra un multiplicador de tensión con diodos ideales y condensadores de
capacidad infinita. Las cifras en rojo muestran los valores de tensión alterna (RMS),
mientras que las negras son la componente contínua en cada etapa. Evidentemente,
invirtiendo los diodos se tendrían tensiones negativas.
Advertencia: Un multiplicador de tensión sin cargar con una impedancia se comporta
como un condensador, pudiendo proporcionar transitorios de elevada corriente, lo que
los hace peligrosos cuando son de alta tensión. Habitualmente se les pone una
resistencia en serie para limitar este transitorio a valores seguros, tanto para el propio
circuito como ante accidentes eventuales.
1.4.- DIODOS ZENER
El diodo zener es un tipo especial de diodo, que a diferencia del funcionamiento de
los diodos comunes, como el diodo rectificador (en donde se aprovechan sus
características de polarización directa y polarización inversa) siempre se utiliza
polarizado inversamente.
En este caso la corriente circula en contra de la flecha que
representa el diodo.
Si el diodo zener se polariza en sentido directo se comporta como un diodo
rectificador común.
Cuando el diodo zener funciona polarizado inversamente mantiene entre sus
terminales una tensión de valor constante.
En el gráfico se ve el símbolo de diodo zener (A - ánodo, K - cátodo) y el sentido
de la corriente para que funcione en la zona operativa
Se analizará el diodo Zener, no como un elemento ideal, si no como un elemento
real y se debe tomar en cuenta que cuando éste se polariza en modo inverso si
existe una corriente que circula en sentido contrario a la flecha del diodo, pero de
muy poco valor.
Analizando la curva del diodo zener se ve
que
conforme
se
va
aumentando
negativamente la tensión aplicada al diodo, la
corriente que pasa por el aumenta muy poco.
Pero una vez que se llega a una tensión,
llamada la tensión de Zener (Vz), el aumento
de la tensión (siempre negativamente) es muy
pequeño, pudiendo considerarse constante.
Para esta tensión, la corriente que atraviesa el diodo, puede variar en un gran rango
de valores. A esta región se le llama la zona operativa.
Esta es la característica del diodo zener que se aprovecha para que funcione como
regulador de voltaje, pues la tensión se mantiene prácticamente constante para
una gran variación de corriente.
Regulador con Zener
Un regulador con diodo zener ideal mantiene
una tensión fija predeterminada a su salida, sin
importar las variaciones de tensión en la fuente de
alimentación y/o en la carga.
Nota: En las fuentes de voltaje ideales (algunas utilizan, entre otros elementos el
diodo zener), el voltaje de salida no varía conforme varía la carga.
Pero las fuentes no son ideales y lo normal es que la tensión de salida disminuya
conforme la carga va aumentado, o sea conforme la demanda de corriente de la
carga aumente.
Para elegir la resistencia limitadora R adecuada hay que calcular primero cuál puede
ser su valor máximo y mínimo, después elegiremos una resistencia R que se adecue
a nuestros cálculos.
Donde:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Rmin es el valor mínimo de la resistencia limitadora.
Rmax es el valor máximo de la resistencia limitadora.
Vsmax es el valor máximo de la tensión de entrada.
Vsmin es el valor mínimo de la tensión de entrada.
Vz es la tensión Zener.
ILmin es la mínima intensidad que puede circular por la carga, en ocasiones, si
la carga es desconectable, ILmin suele tomar el valor 0.
7. ILmax es la máxima intensidad que soporta la carga.
8. Izmax es la máxima intensidad que soporta el diodo Zener.
9. Izmin es la mínima intensidad que necesita el diodo zener para mantenerse
dentro de su zona zener o conducción en inversa (1mA).
La resistencia que elijamos, debe estar comprendida entre los dos resultados que hemos
obtenido.
La resistencia de carga del circuito (RL) debe cumplir la siguiente formula:
1.5.-
DIODO VARICAP
Diodo de capacidad variable o Varactor (Varicap) es un tipo de
que basa su funcionamiento en el fenómeno que hace que la
anchura de la barrera de potencial en una unión PN varie en función
de la
tensión inversa aplicada entre sus extremos. Al aumentar dicha
tensión, aumenta la anchura de esa barrera, disminuyendo así la
capacidad del diodo. De este modo se obtiene un condensador
variable controlado por tensión. Los valores de capacidad obtenidos
van desde 1 a 500 pF. La tensión inversa mínima tiene que ser de 1 V.
El
diodo
La aplicación de estos
sobre todo, en la sintonía
frecuencia
en
radio y en los osciladores
(Oscilador controlado por
diodos se encuentra,
de TV, modulación de
transmisiones de FM y
controlados por voltaje
tensión).
En
tecnología
de
utilizar como limitadores:
en el diodo, su capacidad
impedancia que presenta
circuito, de modo que
incidente.
microondas se pueden
al aumentar la tensión
varía, modificando la
y
desadaptando
el
refleja
la
potencia
1.6.- Diodo LED. Diodo emisor de luz. Light-Emitting Diode
El LED es un tipo especial de diodo, que trabaja como un diodo común, pero que
al ser atravesado por la corriente eléctrica, emite luz. Existen diodos LED de
varios colores que dependen del material con el cual fueron construidos. Hay de
color rojo, verde, amarillo, ámbar, infrarrojo, entre otros.
Eléctricamente el
germanio.
diodo LED se comporta igual que un diodo de silicio o
Si se pasa una corriente a través del diodo semiconductor, se inyectan electrones
y huecos en las regiones P y N, respectivamente.
Dependiendo del material de que está hecho el LED, será la emisión de la longitud
de onda y por ende el color
Material
GaAs: Zn
GaAsP.4
GaAsP.5
GaAsP.85:N
Ga:P
Longitud de
onda de
emisión en
Angstroms (A°)
9100
6500
6100
5900
5600
Color
Infrarojo
Rojo
Ambar
Amarillo
Verde
Debe de escogerse bien la corriente que atraviesa el LED para obtener una buena
intensidad luminosa y evitar que este se pueda dañar. El LED tiene un voltaje de
operación que va de 1.5 V a 2.2 voltios. aproximadamente y la gama de corrientes
que debe circular por él está entre los 10 y 20 miliamperios (mA) en los diodos de
color rojo y de entre los 20 y 40 miliamperios (mA) para los otros LEDs.
Los diodos LED tienen enormes ventajas sobre las lámparas indicadoras comunes,
como su bajo consumo de energía, su mantenimiento casi nulo y con una vida
aproximada de 100,000 horas.
El diodo LED debe ser protegido. Una pequeña cantidad de corriente en sentido
inverso no lo dañará, pero si hay picos inesperados puede dañarse. Una forma de
protegerlo es colocar en paralelo con el diodo LED pero apuntando en sentido
opuesto un diodo de silicio común.
Aplicaciones tiene el diodo LED. Se utiliza ampliamente en aplicaciones visuales,
como indicadoras de cierta situación específica de funcionamiento.
II.- EL TRANSISTOR BIPOLAR
El transistor de unión bipolar (del inglés Bipolar Junction Transistor, o sus siglas
BJT) es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en dos uniones PN
muy cercanas entre sí, que permite controlar el paso de la corriente a través de sus
terminales. Los transistores bipolares se usan generalmente en electrónica
analógica. También en algunas aplicaciones de electrónica digital como la tecnología
TTL o BICMOS. Un transistor de unión bipolar está formado por dos Uniones PN en un
solo cristal semiconductor, separados por una región muy estrecha. De esta manera
quedan formadas tres regiones:



Emisor, que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada,
comportándose como un metal.
Base, la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector.
Colector, de extensión mucho mayor.
2.1.- Tipos de Transistor de Unión Bipolar
2.1.1.- El símbolo de un transistor NPN.
NPN es uno de los dos tipos de transistores bipolares, en los
cuales las letras "N" y "P" se refieren a los portadores de carga mayoritarios dentro de
las diferentes regiones del transistor. La mayoría de los transistores bipolares usados
hoy en día son NPN, debido a que la movilidad del electrón es mayor que la movilidad
de los "huecos" en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes y velocidades
de operación.
Los transistores NPN consisten en una capa de material semiconductor dopado P (la
"base") entre dos capas de material dopado N. Una pequeña corriente ingresando a la
base en configuración emisor-común es amplificada en la salida del colector.
La flecha en el símbolo del transistor NPN está en la terminal del emisor y apunta en la
dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en
funcionamiento activo.
PNP
El otro tipo de transistor bipolar de juntura es el PNP con las letras "P" y "N"
refiriéndose a las cargas mayoritarias dentro de las diferentes regiones del transistor.
Pocos transistores usados hoy en día son PNP, debido a que el NPN brinda mucho
mejor desempeño en la mayoría de las circunstancias.
El símbolo de un transistor PNP.
Los transistores PNP consisten en una capa de material semiconductor dopado N entre
dos capas de material dopado P. Los transistores PNP son comúnmente operados con el
colector a masa y el emisor conectado al terminal positivo de la fuente de alimentación
a través de una carga eléctrica externa. Una pequeña corriente circulando desde la base
permite que una corriente mucho mayor circule desde el emisor hacia el colector.
La flecha en el transistor PNP está en el terminal del emisor y apunta en la dirección en
que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento
activo.
El transistor bipolar es un amplificador de corriente, esto quiere decir que si le introducimos
una cantidad de corriente por una de sus patillas (base), el entregará por otra (emisor) , una
cantidad mayor a ésta, en un factor que se llama amplificación.
Este factor se llama β (beta) y es un dato propio de cada transistor.
Entonces:
- Ic (corriente que pasa por la patilla colector) es igual a β (factor de amplificación) por Ib
(corriente
que
pasa
por
la
patilla
base).
Ic
=
β
*
Ib
- Ie (corriente que pasa por la patilla emisor) es del mismo valor que Ic, sólo que, la corriente
en un caso entra al transistor y en el otro caso sale de él, o viceversa.
Según la fórmula anterior las corrientes no dependen del voltaje que alimenta el circuito
(Vcc), pero en la realidad si lo hace y la corriente Ib cambia ligeramente cuando se cambia
Vcc. Ver figura.
En el segundo gráfico las corrientes de base (Ib) son ejemplos para poder entender que a más
corriente la curva es más alta
Regiones operativas del transistor
- Región de corte: Un transistor esta en corte cuando:
corriente de colector = corriente de emisor = 0, (Ic = Ie
= 0)
En este caso el voltaje entre el colector y el emisor del
transistor es el voltaje de alimentación del circuito.
(como no hay corriente circulando, no hay caída de
voltaje, ver Ley de Ohm). Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base = 0
(Ib =0)
Región
de
saturación:
Un
transistor
está
saturado
corriente de colector = corriente de emisor = corriente máxima, (Ic = Ie = I máxima)
cuando:
En este caso la magnitud de la corriente depende del voltaje de alimentación del circuito y de
los resistores conectados en el colector o el emisor o en ambos, ver ley de Ohm.
Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base es lo suficientemente grande
como para inducir una corriente de colector β veces más grande. (recordar que Ic = β * Ib)
- Región activa: Cuando un transistor no está ni en su región de saturación ni en la región de
corte entonces está en una región intermedia, la región activa.
En esta región la corriente de colector (Ic) depende principalmente de la corriente de base (Ib),
de β (ganancia de corriente de un amplificador, es un dato del fabricante) y de las resistencias
que hayan conectadas en el colector y emisor).
Esta región es la mas importante si lo que se desea es utilizar el transistor como un
amplificador.
CORTE.- No circula intensidad por la Base, por lo que, la intensidad de Colector y Emisor
también es nula. La tensión entre Colector y Emisor es la de la batería. El transistor, entre
Colector y Emisor se comporta como un interruptor abierto.
IB = IC = IE = 0; VCE = Vbat
SATURACION.- Cuando por la Base circula una intensidad, se aprecia un incremento de la
corriente de colector considerable. En este caso el transistor entre Colector y Emisor se
comporta como un interruptor cerrado. De esta forma, se puede decir que la tensión de la batería
se encuentra en la carga conectada en el Colector.
 IB  IC ; Vbat = RC X IC.
ACTIVA.- Actúa como amplificador. Puede dejar pasar más o menos corriente.
Cuando trabaja en la zona de corte y la de saturación se dice que trabaja en conmutación. En
definitiva, como si fuera un interruptor.
La ganancia de corriente es un parámetro también importante para los transistores ya que
relaciona la variación que sufre la corriente de colector para una variación de la corriente de
base. Los fabricantes suelen especificarlo en sus hojas de características, también aparece con la
denominación hFE. Se expresa de la siguiente manera:
β = IC / I B