TRABAJO COLABORATIVO 2FÍSICA DE SEMICONDUCTORES

CARLOS ANDRÉS PARRA BLANDÓNC.C.

MAURO YAMIT VARGASC.C 1.053.609.777

HELDER RESTREPO CARDONAC.C. 1.053.794.074

ERICA GIOVANA GONZÁLEZ SOLANOC.C. 1.055.273.079

GRUPO: 299002_46

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNADESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA

NOVIEMBRE DE 2012

INTRODUCCIÓN

Por medio de este trabajo nosotros como estudiantes de ingeniería desarrollaremos en las próximas páginas. Conceptos de mecánica cuántica, física y matemáticas del diodo en operación (polarización Directa). Aplicando los conocimientos adquiridos durante el transcurso del curso físico de semiconductores en conjunto con las investigaciones propias del presente trabajo. Esperando al finalizar tener todos los conceptos claros y así poderlos aplicar en nuestra futura profesión y en nuestras prácticas laborales.

OBJETIVOS

Como uno de los objetivos principales de este trabajo colaborativo es el estudio del diodo en polarización directa. Aprender también sus aplicaciones, origen, y diversos aspectos relacionados con los diodos para un análisis mas profundo del tema. Comprender y analizar cada grafica que se encuentra relacionada con los diodos y transistores. Alcanzar un nivel de conocimiento superior al investigar cada ítem en lo que se refieren los diodos y de algunas clases de diodos, efectos y aplicaciones. Aplicar los conocimientos aprendidos en nuestra practica como estudiantes de ingeniería.

Historia

En 1873 Frederick Guthrie descubrió el principio de operación de los diodos térmicos. Guhtrie descubrió que un electroscopio cargado positivamente podría descargarse al acercarse una pieza de metal caliente, sin necesidad de que éste lo tocara. No sucedía lo mismo con un electroscopio cargado negativamente, reflejando esto que el flujo de corriente era posible solamente en una dirección.

Independientemente, el 13 de febrero de 1880 Thomas Edison re-descubre el principio. A su vez, Edison investigaba por qué los filamentos de carbón de las bombillas se quemaban al final del terminal positivo. Él había construido una bombilla con un filamento adicional y una con una lámina metálica dentro de la lámpara, eléctricamente aislada del filamento. Cuando usó este dispositivo, él confirmó que una corriente fluia del filamento incandescente a través del vació a la lámina metálica, pero esto sólo sucedía cuando la lámina estaba conectada positivamente.

Edison diseñó un circuito que reemplaza la bombilla por un resistor con un voltímetro de DC. Edison obtuvo una patente para este invento en 1884. Aparentemente no tenía uso práctico para esa época. Por lo cual, la patente era probablemente para precaución, en caso de que alguien encontrara un uso al llamado Efecto Edison.

Aproximadamente 20 años después, John Ambrose Fleming (científico asesor de Marconi Company y antiguo empleado de Edison) se dio cuenta que el efecto Edison podría usarse como un radio detector de precisión. Fleming patentó el primer diodo termoiónico en Gran Bretaña el 16 de noviembre de 1904.

En 1874 el científico alemán Karl Ferdinand Braun descubrió la naturaleza de conducir por una sola dirección de los cristales semiconductores. Braun patentó el rectificador de cristal en 1899. Los rectificadores de óxido de cobre y selenio fueron desarrollados para aplicaciones de alta potencia en la década de los 1930.

FISICA Y MATEMATICA DEL DIODO EN OPERACIÓN (Polarización Directa)

Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un sentido. Este término generalmente se usa para referirse al diodo semiconductor, el más común en la actualidad; consta de una pieza de cristal semiconductor conectada a dos terminales eléctricos. El diodo de vacío (que actualmente ya no se usa, excepto para tecnologías de alta potencia) es un tubo de vacío con dos electrodos: una lámina como ánodo, y un cátodo. 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 circuito cerrado con una resistencia eléctrica muy pequeña. Debido a este comportamiento, se les suele denominar rectificadores, ya que son dispositivos capaces de suprimir la parte negativa de cualquier señal, como paso inicial para convertir una corriente alterna en corriente continua. Su principio de funcionamiento está basado en los experimentos de Lee De Forest.

Polarización directa del diodo PN. 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, se debe conectar el polo positivo de la batería al ánodo del diodo y el polo negativo al cátodo. En estas condiciones podemos observar que:

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. 2

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.

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 fugasEs 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, en los que la ruptura puede deberse a dos efectos:

Efecto avalancha (diodos poco dopados). En polarización inversa se generan pares electrón-hueco que provocan la corriente inversa de saturación; si la tensión inversa es elevada los electrones se aceleran incrementando su energía cinética de forma que al chocar con electrones de valencia pueden provocar su salto a la banda de conducción. Estos electrones liberados, a su vez, se aceleran por efecto de la tensión, chocando con más electrones de valencia y liberándolos a su vez. El resultado es una avalancha de electrones que provoca una corriente grande. Este fenómeno se produce para valores de la tensión superiores a 6 V.

Efecto Zener (diodos muy dopados). Cuanto más dopado está el material, menor es la anchura de la zona de carga. Puesto que el campo eléctrico E puede expresarse como cociente de la tensión V entre la distancia d; cuando el diodo esté muy dopado, y por tanto d sea pequeño, el campo eléctrico será grande, del orden de 3·105 V/cm. En estas condiciones, el propio campo puede ser capaz de arrancar electrones de valencia incrementándose la corriente. Este efecto se produce para tensiones de 4 V o menores.

Comparación entre el silicio y el germanio

Por lo general, los diodos de silicio cuentan con un PIV y un índice de corriente mayores. así como un rango de temperatura más amplío que los diodos de germanio. Los niveles de PIV para el caso del silicio se encuentran cercanos a 1000 V, mientras que el valor máximo para el caso del germanio se encuentra alrededor de 400 V. El silicio puede utilizarse para aplicaciones en las cuales la temperatura puede elevarse hasta 200°C (400°F). Mientras que el germanio posee un nivel máximo mucho menor (100°C). La desventaja que tiene el silicio comparado con el germanio, es la del mayor para alcanzar la región de conducción. Éste suele ser del orden de 0.7 V de magnitud para los diodos de silicio disponibles en el mercado, y 0.3 V para diodos de germanio cuando se redondea a la siguiente décima.

El factor η toma parte en la determinación de la forma de la curva sólo en niveles

de corriente muy bajos. Una vez que la curva empieza su crecimiento vertical, el factor η cae a 1 (el valor continuo del germanio). Esto es evidente por las similitudes en las curvas una vez que el potencial de conducción se ha alcanzado. El potencial por el cual ocurre este crecimiento se conoce como potencial de conducción de umbral o de encendido. Con frecuencia, la primera letra de un término que describe una cantidad en particular se usa en la notación para dicha cantidad. Sin embargo, para asegurar un mínimo de confusión con otros términos, como el voltaje de salida (V0, por las iniciales en inglés de: output) y el voltaje de polarización directa (VF, por la inicial en inglés de: forward), la notación VT ha sido adaptada para este libro por la palabra "umbral" (por la inicial en inglés de: threshold). Obviamente, mientras más cercana al eje vertical es la excursión, más cerca de lo "ideal" está el dispositivo. Sin embargo, las otras características del silicio comparadas con el germanio lo hacen ser el elegido en la mayor parte de las unidades disponibles en el mercado.

EFECTOS DE LA TEMPERATURA

La temperatura puede tener un marcado efecto sobre las características de un diodo semiconductor de silicio, según se comprobó mediante un diodo de silicio típico. A partir de múltiples experimentos se encontró que la corriente de saturación inversa Is será casi igual al doble en magnitud por cada 10°C de incremento en la temperatura.

No es poco frecuente que un diodo de germanio con un ls del orden de 1 o 2 ^A a 25 °C tenga una comente de fuga de 100 ;¿A = 0.1 mA a una temperatura de 100 °C. Los niveles de corriente de esta magnitud en la región de polarización inversa con seguridad cuestionarían la condición deseada de circuito abierto en la región de polarización inversa. Los valores típicos de ls para el silicio son mucho menores que para el germanio para unos niveles similares de potencia y corriente. El resultado es que aún a mayor temperatura, los niveles de Is para los diodos de silicio no alcanzan los mismos altos niveles que para el germanio, una razón muy importante para que los dispositivos de silicio tengan un nivel significativamente mayor de desarrollo y utilización en el diseño. Fundamentalmente, el equivalente de circuito abierto en la región de polarización inversa es mejor a cualquier temperatura con silicio en lugar de germanio. Los niveles de Is aumentan a mayor temperatura con niveles menores del voltaje de umbral, como se muestra en la figura. Simplemente. al incrementar el nivel de Is en la ecuación observe el rápido incremento en la comente del diodo. Desde luego, el nivel de TK también se incrementará en la misma ecuación, pero el mayor valor de Is sobrepasará el menor cambio en porcentaje en TK. Mientras la temperatura mejora las características en polarización directa, en realidad se convierten en características más "ideales", pero cuando se revisan las hojas de especificación se encuentra que las temperaturas más allá del rango de operación normal pueden tener un efecto muy perjudicial en los niveles de potencia y corriente máximas del diodo. En la región de polarización inversa, el voltaje de ruptura para llegar a la región de avalancha se incrementa con la temperatura, pero se debe observar también el incremento no deseado en la región de saturación inversa

Modelos matemáticos

El modelo matemático más empleado es el de Shockley (en honor a William Bradford Shockley) que permite aproximar el comportamiento del diodo en la mayoría de las aplicaciones. La ecuación que liga la intensidad de corriente y la diferencia de potencial es:

Donde:

I es la intensidad de la corriente que atraviesa el diodo VD es la diferencia de tensión entre sus extremos. IS es la corriente de saturación (aproximadamente) n es el coeficiente de emisión, dependiente del proceso de fabricación del

diodo y que suele adoptar valores entre 1 (para el germanio) y del orden de 2 (para el silicio).

El Voltaje térmico VT es aproximadamente 25.85mV en 300K, una temperatura cercana a la temperatura ambiente, muy usada en los programas de simulación de circuitos. Para cada temperatura existe una constante conocida definida por:

Donde k es la constante de Boltzmann, T es la temperatura absoluta de la unión pn, y q es la magnitud de la carga de un electrón (la carga elemental).

La ecuación de diodo ideal de Schockley o la ley de diodo se deriva de asumir que solo los procesos que le dan corriente al diodo son por el flujo (debido al campo eléctrico), difusión, y la recombinación térmica. También asume que la corriente de recombinación en la región de agotamiento es insignificante. Esto significa que la ecuación de Schockley no tiene en cuenta los procesos relacionados con la región de ruptura e inducción por fotones. Adicionalmente, no describe la estabilización de la curva I-V en polarización activa debido a la resistencia interna.

Bajo voltajes negativos, la exponencial en la ecuación del diodo es insignificante. y la corriente es una constante negativa del valor de Is. La región de ruptura no esta modelada en la ecuación de diodo de Schockley.

Para voltajes pequeños en la región de polarización directa, se puede eliminar el 1 de la ecuación, quedando como resultado:

Con objeto de evitar el uso de exponenciales, en ocasiones se emplean modelos más simples aún, que modelan las zonas de funcionamiento del diodo por tramos rectos; son los llamados modelos de continua o de Ram-señal. El más simple de todos es el diodo ideal.

REPRESENTACION GRAFICA DE UN DIODO

En nuestro curso básico de electrónica estudiamos a los componentes en función de sus características externas sin atender a cómo funcionan internamente. Considero que el alumno deberá entender el funcionamiento interno con posterioridad a la aplicación del componente en el circuito.

Considere al diodo como un resistor cuya resistencia interna depende del sentido de circulación de la corriente. En un sentido presenta un bajo valor de resistencia en tanto que en el sentido contrario presenta una resistencia muy elevada.Un gráfico vale por mil palabras. El gráfico de un diodo semiconductor se puede observar en la figura .

Como se puede observar al incrementar la tensión directa sobre el diodo no circula corriente hasta que se llega a una tensión de 0.6V en donde la corriente comienza a circular aumentando bruscamente. Es decir que después de los 0.6V la curva corresponde a un resistor de bajo valor (unos 100 Ohm para el 1N4148). Por debajo de los 0.6V el diodo es casi un circuito abierto, es decir que posee una resistencia muy grande y muy variable diodo a diodo, llamada resistencia de fuga del diodo. A un valor muy alto de tensión inversa el diodo entra en la llamada tensión de ruptura; simplemente se produce un arco como el de la perforación de un dieléctrico y que para el diodo considerado es de aproximadamente 75V. Ese arco es destructivo y el diodo por lo general se transforma en un cortocircuito.Este tipo de gráfico no es el único posible de realizar. La elección de los ejes es evidentemente informal. Podría realizarse la curva usando el eje Y para representar la corriente y el eje X para la tensión.Cuando Ud. diseña un circuito con resistores, capacitores o inductores por lo general no necesita la especificación de los componentes. Pero cuando se utilizan componentes activos es necesario averiguar sus características a través de la correspondiente especificación (Data Sheet).

Observe que el diodo tiene una banda que marca el terminal negativo o cátodo para diferenciarla del positivo o ánodo. Junto al dibujo del diodo se puede observar que se trata de un diodo que puede conmutar a alta velocidad entre los estados de alta impedancia y baja impedancia (4ns).A continuación se ven los dos valores más importantes de un diodo que son la máxima tensión inversa y la máxima corriente directa. En nuestro caso puede observar que nuestro diodo es de 200mA y 75V. Esto significa que cuando está en directa puede conducir permanentemente hasta 200mA sin calentarse excesivamente a una temperatura ambiente de 25ºC. Por otro lado cuando está en inversa admite una tensión máxima de 75V. Luego se puede producir la ruptura del chip por exceso de tensión.

Con referencia a los gráficos Fairchild prefiere generar gráficos separados para cada parámetro como por ejemplo el gráfico 5 que contiene la curvas de tensión inversa, directa a 20ºC y directa en función de la temperatura. La primera curva observamos como la corriente inversa se mantiene casi constante en 20 nA hasta que comienza a crecer a unos 60V de modo que a 100V ya tiene 100 nA. Debajo se encuentra la curva de corriente directa a 25ºC.

Observe que a 500 mV circula una pequeña corriente de 100 uA que se transforma en una importante corriente de 700 mA al llegar a aplicar 700 mV. Esta curva parece recta solo porque la escala de corriente es logarítmica si fuera lineal se observaría un codo neto a unos 600 mV. Como trabajo práctico el lector deberá trazar esta curva en un grafico lineal en ambos ejes considerando que el primer punto a ubicar es 0V/0A.

Arriba a la derecha se puede observar como la tensión de barrera cambia con la temperatura. Si mantenemos la corriente circulante por el diodo en 10 mA (por

ejemplo con una fuente de 12V y un resistor serie de 1,2 Kohms) podremos observar que la tensión variará entre 320 y 520 mV cuando la temperatura varíe de -40 a +65 ºC. Si el lector está pensando que un diodo se puede usar como termómetro le decimos que precisamente esa es una de sus funciones secundarias.

Por último se observa una curva que nos indica que tan rápidamente opera nuestro diodo cuando se lo usa como llave; el eje inferior representa a la “corriente de recuperación inversa” o Irr en función del tiempo de recuperación “Tr”. El concepto de esta medición es el siguiente: si Ud. aplica una tensión directa por el diodo circulará una corriente apreciable. Cuando invierta la tensión, el diodo debería abrirse de inmediato, pero en realidad demora un tiempo que depende de la corriente directa que se había establecido inicialmente. Si esta corriente es de 60 mA el diodo demorará 1,25 nS en abrirse. Este parámetro caracteriza la velocidad del diodo de modo que existirán diodos adecuados para la frecuencia de red y otros tan rápidos como para ser usados en la banda de microondas a frecuencias de 10 GHz.

Se considera a un diodo como ideal cuando tiene una resistencia nula en directa, una barrera nula y una resistencia infinita en inversa; es decir, un dispositivo que conduce perfectamente en un sentido y se abre en el otro. Y podríamos agregar: que no demora en abrirse.

Cicruitos con diodos

Los diodos de silicio (que son los más utilizados) se emplean como rectificadores (conversores de CA en CC), como limitadores de señal y como protectores de tensiones inversas.Un sencillo circuito como el de la figura 11.5.1 es perfectamente capaz de evitar la circulación del semiciclo negativo de una señal de CA, transformándola en una CC pulsante tal como se puede observar con el osciloscopio del WB Multisim.

Este circuito tal como está no sirve de mucho, ya que la señal de salida no es una continua pura (tiene aplicaciones en electrónica industrial porque una señal pulsante puede alimentar a un motor de CC tan bien como una CC pura).Para que el circuito se transforme en un verdadero conversor C.A./C.C., se debe agregar un componente que ya conocemos: el capacitor electrolítico. Tome el circuito anterior; agregue un electrolítico cada vez más grande y observe el resultado sobre la forma de señal de la carga.

Otros diodos especiales

En realidad existen muchos tipos de diodos especiales para que cumplan con una función determinada. Aquí realizaremos una rápida recorrida por ellos en función de su uso común.

Diodos rápidos: existen dos tipos característicos; los diodos rápidos de potencia y los diodos rápidos de señal. Los de potencia se utilizan en las modernas fuentes de switching que trabajan a frecuencias de hasta 500 Khz. y pueden manejar corrientes de varios amperes y tensiones de varios cientos de bolas. Los mas rápidos llamados diodos pueden llegar a velocidades de conmutación similares a las de un 1N4148 pero conmutando varios amperes y a tensiones de algunos cientos de voltios.

Luego vienen los diodos rápidos de señal incluyendo los diodos Schottky que tienen tiempos de conmutación del orden de 1 nS o menos. El diodo Schottky llamado así en honor del físico alemán Walter H. Schottky, es un dispositivo que proporciona conmutaciones muy rápidas entre los estados de conducción directa e inversa (menos de 1nS en dispositivos pequeños de 5 mm de diámetro) y muy bajas tensiones de barrera.

Diodos Zener: los diodos zener son diodos especialmente construidos como para que su tensión de ruptura ocurra a un valor relativamente bajo (1 a 40V) y que sea un valor muy exacto. De este modo el diodo se transforma en un regulador de tensión o fuente regulada de tensión con una gran cantidad de aplicaciones.

CONFIGURACIONES DE CONEXIÓN DE TRANSISTORES

Configuración de Base Común Para la configuración de base común con transistores pnp y npn. La terminología de la base común se deriva del hecho de que la base es común tanto a la entrada como a la salida de la configuración. A su vez, por lo regular la base es la terminal más cercana a, o que se encuentra en, el

potencial de tierra. A lo largo de este libro todas las direcciones de corriente harán referencia al flujo convencional (huecos) en lugar de hacerlo respecto al flujo de electrones. Para el transistor la flecha en el símbolo gráfico define la dirección de la corriente del emisor (flujo convencional) a través del dispositivo. Para describir en su totalidad el comportamiento de un dispositivo de tres terminales, como los amplificadores de base común se requiere de dos conjuntos de características, uno para el punto de excitación o parámetros de entrada y el otro para el lado de la salida. El conjunto de entrada para el amplificador de base común relacionará la corriente de entrada (IE). el conjunto de características de la salida o colector tiene tres regiones básicas de interés: la regiones activa, de corte y de saturación.

La región activa es la que suele utilizarse para los amplificadores lineales (sin distorsión). En particular: En la región activa la unión base - colector se polariza inversamente, mientras que la unión emisor - base se polariza directamente. La región activa se define mediante los arreglos de polarización de la figura D. En el extremo más bajo de la región activa, la corriente del emisor (IE) es cero; esa es la verdadera corriente del colector, y se

debe a la corriente de saturación inversa ICO, como lo señala la figura E. La corriente ICO real es tan pequeña (microamperes) en magnitud si se compara con la escala vertical de IC = 0. Las condiciones del circuito que existen cuando IE = 0 para la configuración de base común se muestra en la figura . La notación que con más frecuencia se utiliza para ICO en los datos y las hojas de especificaciones es, como se indica en la figura , ICBO. Debido a las mejoras en las técnicas de fabricación, el nivel de ICBO para los transistores de propósito general (en especial los de silicio) en los rangos de potencia baja y mediana, por lo regular es tan bajo que puede ignorarse su efecto. Sin embargo, para las unidades de mayor potencia ICBO, así como Is, para el diodo (ambas corrientes de fuga inversas) son sensibles a la temperatura. A mayores temperaturas, el efecto de ICBO puede convertirse en un factor importante debido a que aumenta muy rápidamente con la

temperatura. En la región de corte, tanto la unión base - colector como la unión emisor base de un transistor tienen polarización inversa. En la región de saturación, tanto la unión como la emisor - base están en polarización directa.

Figura. Características de salida o colector para un amplificador a transistor de base común y corriente de saturación inversa

Configuración de Emisor Común La configuración de transistor que se encuentra más a menudo aparece en la figura G. para los transistores pnp y npn. Se le denomina configuración de emisor común debido a que el emisor es común o hace referencia a las terminales tanto de entrada como de salida (en este caso, es común tanto a la terminal de base como a la de colector). Una vez más, se necesitan dos conjuntos de características para describir por completo el comportamiento de la configuración de emisor común: uno para el circuito de entrada o base-emisor y otro para el circuito de salida o colector-emisor.

En la región activa de un amplificador de base común la unión del colector-base se encuentra polarizada inversamente, mientras que la unión base-emisor se encuentra polarizada directamente. Para propósitos de amplificación lineal (la

menor distorsión), el corte para la configuración de emisor común se definirá mediante IC = ICEO.

Configuración de Colector Común La configuración de colector común se utiliza sobre todo para propósitos de acoplamiento de impedancia, debido a que tiene una alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida, contrariamente a alas de las configuraciones de base común y de un emisor común. La figura H muestra una configuración de circuito de colector común con la resistencia de carga conectada del emisor a la tierra. Obsérvese que el colector se encuentra conectado a la tierra aunque el transistor esté conectado de manera similar a la configuración del emisor común. Desde un punto de vista de diseño, no se requiere de un conjunto de características de colector común para elegir los parámetros del circuito de la figura H puede diseñarse utilizando las características de salida para la configuración de colector común son la mismas que para la configuración de emisor común.

Fig. Configuración de colector común utilizado para propósitos de acoplamiento de impedancia.

ACCION AMPLIFICADORA DEL TRANSISTOR

 Ahora que se ha establecido la relación entre IC e IE, la acción básica de amplificación del transistor se puede introducir en un nivel superficial utilizando la red de la figura. La polarización de cd no aparece en la figura puesto que nuestro interés se limitará a la respuesta de ca. Para la configuración de base común, la resistencia de entrada de ca determinada por las características de la figura 3.7 es bastante pequeña y varía típicamente de 10 a 100 ohms. La resistencia de salida determinada por las curvas de la figura 3.8 es bastante alta (cuanto más horizontal esté la curva mayor será la resistencia) y varía normalmente de 50 kohms a 1 Mohms, La diferencia en resistencia se debe a la unión polarizada directamente en

la entrada (base a emisor) y la unión polarizada inversamente en la salida (base a colector). Usando un valor común de 20 ohms para la resistencia de entrada, encontramos que

Si suponemos por el momento que

ca = 1,

IL = Ii = 10 mA

VL = ILR = (10 mA)(5 kohms) = 50 V

La amplificación de voltaje es

Los valores típicos de amplificación de voltaje para la configuración de base común varían de 50 a 300. La amplificación de corriente (IC/IE) siempre es menor que 1 para la configuración de base común. Esta última característica debe ser evidente ya que IC = ð IE y ð siempre es menor que 1.

La acción básica de amplificación se produjo transfiriendo una corriente I de un circuito de baja resistencia a uno de alta. La combinación de los dos términos en cursivas produce el nombre de transistor, es decir,

transferencia + resistor —> transistor

OPERACION DEL TRANSISTOR

La operación básica del transistor se describirá ahora empleando el transistor pnp de la figura a. La operación del transistor npn es exactamente igual si se intercambian los papeles que desempeñan los electrones y los huecos. En la

figura 3.3 se ha redibujado el transistor pnp sin la polarización base a colector. Nótense las similitudes entre esta situación y la del diodo polarizado directamente en el capítulo 1. El ancho de la región de agotamiento se ha reducido debido a la polarización aplicada, lo que produce un denso flujo de portadores mayoritarios del material tipo p al tipo n.

Eliminaremos ahora la polarización base a emisor del transistor pnp de la figura 3a como se indica en la figura Recuérdese que el flujo de portadores mayoritarios es cero, por lo que sólo se presenta un flujo de portadores minoritarios, como se ilustra en la figura . En resumen, por tanto: Una unión p-n de un transistor está polarizada inversamente, en tanto que la otra presenta polarización directa. En la figura ambos potenciales de polarización se han aplicado a un transistor pnp, con un flujo de portadores mayoritario y minoritario que se indica. En la figura nótense los anchos de las regiones de agotamiento, que indican con toda claridad qué unión está polarizada directamente y cuál inversamente. Como se indica en la figura, un gran número de portadores mayoritarios se difundirán a través de la unión p~n polarizada directamente dentro del material tipo n. La pregunta es entonces si estos portadores contribuirán en forma directa a la corriente de base IB o pasarán directamente hacia el material tipo p. Puesto que el material tipo n emparedado es sumamente delgado y tiene una baja conductividad, un número muy pequeño de estos portadores seguirá la trayectoria de alta resistencia hacia la terminal de la base.

La magnitud de la corriente de base es por lo general del orden de microamperes en comparación con los miliamperes de las corrientes del emisor y del colector. El mayor número de estos portadores mayoritarios se difundirá a través de la unión polarizada inversamente dentro del material tipo p conectado a la terminal del colector, como se indica en la figura. La causa de la relativa facilidad con la que los portadores mayoritarios pueden cruzar la unión polarizada inversamente puede comprenderse si consideramos que para el diodo polarizado en forma inversa, los portadores mayoritarios inyectados aparecerán como portadores minoritarios en el material tipo n. En otras palabras, ha habido una inyección de portadores minoritarios al interior del material de la región base de tipo n. Combinando esto con el hecho de que todos los portadores minoritarios, en la región de agotamiento cruzarán la unión polarizada inversamente, se explica el flujo que se indica en la figura

Descubrimos que la corriente en el emisor es la suma de las corrientes en el colector y la base, Sin embargo, la corriente en el colector está formada por dos componentes: los portadores mayoritarios y minoritarios como se indica en la figura. La componente de corriente minoritaria se denomina corriente de fuga y se simboliza mediante ICO (corriente IC con la terminal del emisor abierta = open). Por lo tanto, la corriente en el colector se determina completamente mediante la

ecuación. IC = ICmayoritaria + ICOminoritaria En el caso de transistores de propósito general, IC se mide en miliamperes, en tanto que ICO se mide en microamperes o nanoamperes. ICO como Is para un diodo polarizado inversamente, es sensible a la temperatura y debe examinarse con cuidado cuando se consideren aplicaciones de intervalos amplios de temperatura. Si este aspecto no se trata de manera apropiada, es posible que la estabilidad de un sistema se afecte en gran medida a elevadas temperaturas. Las mejoras en las técnicas de construcción han producido niveles bastante menores de ICO, al grado de que su efecto puede a menudo ignorarse.

CONFIGURACIÓN DE BASE COMÚN

La notación y símbolos que se usan en conjunto con el transistor en la mayor parte de los textos y manuales que se publican en la actualidad, se indican en la figura para la configuración de base común con transistores pnp y npn, La terminología relativa a base común se desprende del hecho de que la base es común a los lados de entrada y salida de la configuración. Además, la base es usualmente la terminal más cercana o en un potencial de tierra. A lo largo de estos apuntes todas las direcciones de corriente se referirán a la convencional (flujo de huecos) en vez de la correspondiente al flujo de electrones. Esta elección se fundamenta principalmente en el hecho de que enorme cantidad de literatura disponible en las instituciones educativas y empresariales hace uso del flujo convencional, de que las flechas en todos los símbolos electrónicos tienen una dirección definida por esta convención. Recuérdese que la flecha en el símbolo del diodo define la dirección de conducción para la corriente convencional. Para el transistor: La flecha del símbolo gráfico define la dirección de la corriente de emisor (flujo convencional) a través del dispositivo.

Todas las direcciones de corriente que aparecen en la figura son las direcciones reales, como se definen con base en la elección del flujo convencional. Nótese en cada caso que IE = IC + IB. También adviértase que la polarización aplicada (fuentes de voltaje) es de modo que se establezca la corriente en la dirección indicada para cada rama. Es decir, compárese la dirección de IE con la polaridad o VEE para cada configuración y la dirección de IC con la polaridad de ICC. Para describir por completo el comportamiento de un dispositivo de tres terminales, tales como los amplificadores de base común de la figura se requiere de dos conjuntos de características, uno para los parámetros de entrada o punto de manejo y el otro para el lado de salida. El conjunto de entrada para el amplificador de base común, como se muestra en la figura, relacionará una corriente de entrada (IE) con un voltaje de entrada (VBE ) para varios niveles de voltaje de salida (VCB).

El conjunto de salida relacionará una corriente de salida (IC) con un voltaje de salida VCB para diversos niveles de corriente de entrada (IE), como se ilustra en la figura. El conjunto de características de salida o colector tiene tres regiones básicas de interés, como se indican en la figura: las regiones activa, de corte y de saturación. La región activa es la región empleada normalmente para amplificadores lineales (sin distorsión). En particular: En la región actíva la unión colector-base está inversamente polarizada, mientras que la unión base-emisor se encuentra polarizada en forma directa. La región activa se define por los arreglos de polarización de la figura. En el extremo más bajo de la región activa la corriente de emisor (IE) es cero, la comente de colector es simplemente la debida a la corriente inversa de saturación ICO , como se indica en la figura. La corriente ICO es tan pequeña (del orden de microamperios) en magnitud comparada con la escala vertical de IC (del orden de los miliamperios), que aparece virtualmente sobre la misma línea horizontal que IC = 0. Las condiciones del circuito que existen cuando IE = 0 para la configuración base común se ilustran en la figura. La notación usada con más frecuencia para ICO, en hojas de datos y de especificaciones es ICBO como se indica en la figura. A causa de las técnicas mejoradas de construcción, el nivel de ICBO para transistores de propósito general (especialmente silicio) en los intervalos de potencia bajo y medio es por lo general tan reducido que su efecto puede ignorarse. Sin embargo, para unidades de mayor potencia ICBO aún aparecerá en el intervalo de los microamperios. Además, recuérdese que ICBO para el diodo (ambas corrientes inversas de fuga) es sensible a la temperatura.

SATURACIÓN DE CORRIENTE INVERSA

 Nótese, en la figura, que conforme la corriente del emisor aumenta sobre cero, la corriente del colector aumenta a una magnitud esencialmente igual a la corriente del emisor determinada por las relaciones básicas del transistorcorriente. Adviértase también el casi desdeñable efecto de VCB sobre la corriente del colector para la región activa. Las curvas indican claramente que una primera aproximación a la relación entre IE e IC en la región activa la da IC ð IE Como se deduce de su nombre, la región de corte se define como aquella región donde la corriente de colector es de 0 A, como se demuestra en la figura. En suma: En la región de corte ambas uniones, colector-base y base-emisor, de un transistor están inversamente polarizadas. La región de saturación se define como la región de las características a la izquierda de VCB = 0 V. La escala horizontal en esta región se amplió para mostrar claramente el gran cambio en las características de esta región. Nótese el incremento exponencial en la comente de colector a medida que el voltaje VCB se incrementa más allá de los 0 V. En la región de saturación las uniones colector-base y base-emisor están polarizadas directamente.

LAS CARACTERÍSTICAS DE ENTRADA

Para valores fijos de voltaje de colector (VCB), a medida que el voltaje de base a emisor aumenta, la corriente de emisor se incrementa de una manera que se asemeja mucho a las características del diodo. De hecho, los niveles de aumento de VCB tienen un efecto tan insignificante sobre las características que, como una primera aproximación, la variación debida a los cambios en VCB puede ignorarse y se dibujan las características como se ilustra en la figura. Si aplicamos entonces el método del modelo de segmentos lineales del diodo ideal, se obtendrán las características de la figura. Adelantando un paso más e ignorando la pendiente de la curva y por tanto la resistencia asociada con la unión directamente polarizada, se obtendrán las características de la figura lOc. Para los siguientes análisis en estos apuntes, el modelo equivalente de la figura.l0c se empleará para todos los análisis de cd para redes de transistores. Es decir, una vez que el transistor esta en el estado "encendido" o de conducción, se supondrá que el voltaje de base a

emisor será el siguiente: VBE = 0.7 V Alfa (ð ) En el modo de cd los niveles de IC e IE debidos a los portadores mayoritarios están relacionados Por una cantidad denominada alfa y que se define por medio de la siguiente ecuación: ð cd = IC / IE Donde IC e IE son los niveles de corriente al punto de operación. Aun cuando las características de la figura parecen sugerir que ð = 1, para dispositivos prácticos el nivel de alfa se extiende típicamente de 0.90 a 0.998, aproximándose la mayor parte al extremo superior del intervalo. Ya que alfa se define únicamente por los portadores mayoritarios, la ecuación se convierte en IC = ð IE + ICBO Para las características de la figura cuando IE = 0 mA, IC es por tanto igual a ICBO, pero como se mencionó con anterioridad el nivel de ICBO es por 1o general tan pequeño que es virtualmente indetectable en la gráfica de la figura. En otras palabras, cuando IE = 0 mA en la figura, IC aparece también con 0 mA para el intervalo de valores de VCB. 29

Para las situaciones de ca en donde el punto de operación se mueve sobre la curva de características, un alfa de ca se define por

El alfa de ca se denomina formalmente el factor de amplificación de base común en corto circuito, por razones que serán obvias cuando examinemos los circuitos equivalentes de transistor en el capitulo 4. Por el momento, admitamos que la ecuación especifica que un cambio relativamente pequeño en la corriente de colector se divide por el cambio correspondiente en IE manteniendo constante el voltaje colector a base. Para la mayoría de las situaciones las magnitudes de ð ca y de ð cd se encuentran bastante cercanas, permitiendo usar la magnitud de una por otra.

POLARIZACIÓN

La polarización adecuada de la base común puede determinarse rápidamente empleando la aproximación IC ð IE y suponiendo por el momento que IB ð 0 uA. El resultado algunos estudiantes les parece que pueden recordar si la flecha del símbolo del dispositivo apunta hacia afuera haciendo corresponder las letras del tipo de transistor con las letras apropiadas de las frases "apuntando hacia adentro" Como probar un transistor Para probar transistores bipolares hay que analizar un circuito equivalente de éste, en el que se puede utilizar lo aprendido al probar diodos

Se ve que los circuitos equivalentes de los transistores bipolares NPN y PNP están compuestos por diodos y se sigue la misma técnica que probar diodos comunes. La prueba se realiza entre el terminal de la base (B) y el terminal E y C. Los métodos a seguir en el transistor NPN y PNP son opuestos. Al igual que con el diodo, si uno de estos "diodos del equivalente del transistor" no funcionan como se espera hay que cambiar el transistor. Nota: Aunque este método es muy confiable (99 % de los casos), hay casos en que, por las características del diodo o el transistor, esto no se cumple. Para efectos prácticos se sugiere tomarlo como confiable en un 100%.

Estructura atómica iones

Todo parte de los átomos, constituyentes fundamentales de la materia, que

están formados por un núcleo (compuesto de protones y neutrones) cubierto

de un cúmulo de nubes de electrones orbitando alrededor de él en

trayectorias no completamente constantes en el tiempo. Cada electrón no

tiene una trayectoria definida, pero si tiene una REGION de orbitas bien

definida. Cada región identifica un Nivel Energético: la única forma de que un

electrón pase de una región de orbitas permitidas a otra es que cambie su

energía. Adicionalmente a esto, en el modelo de la mecánica cuántica, se sabe

que en presencia de un potencial, todos los niveles Energéticos de una

partícula están cuantiados: esto quiere decir que los niveles posibles son

múltiplos enteros de una cantidad determinada. Esto es igualmente valieo

para moléculas, átomos y cualquier situación microscópica en la que una o

más partículas experimentan una fuerza, asociada a un potencial, si esto tiene

como efecto estados ligados (estados donde la partícula no tiene completa

libertad de movimiento).

De aquí que exista la llamada ― BANDA PROHIBIDA‖ (GAP). Los

electrones en un atomo tienen un último nivel de suma importancia para

la teoría de enlaces moleculares: los electrones ubicados en el último nivel

energético son los Electrones de Valencia, y son los que son transferidos de

un átomo a otro o compartidos entre los átomos, formando los enlaces que

dan estructura a las moléculas.

Existen dos tipos de enlaces principales:

- IONICOS: Los electrones de un átomo son totalmente atraídos y

prácticamente transferidos a otro átomo, víctima de la fuerza electromagnética

atractiva que ejerce sobre el ese núcleo.

- COVALENTES: Los electrones de un átomo son también atraídos por el otro

átomo, pero en este caso no es suficiente la fuerza de atracción y se genera un

estado estable orbital para ambos átomos con el mismo único electrón. El

electrón se dice entonces que es compartido.

Realmente, no son solo las fuerzas electromagnéticas las que gobiernan

los enlaces y fenómenos atómicos. Como se vio en la breve

conceptualización de análisis del Amoniaco, ni siquiera el potencial

intraatómico tiene una forma simple. Asimismo, se sabe que existe la llamada

REGLA DEL OCTETO:

― Lo s enlaces entre átomos tienden a darse de tal manera que cada átomo

tienda a Completar 8 electrones en su nivel de valencia, o, si solo tiene un nivel

de energía, 2 e lect ron e s e n su n ive l d e va len cia‖ .

Teoría de bandas

En un material cualquiera siempre existirán rutas de viaje de los

electrones. Podemos esperar que un electrón se mantenga en órbita

relativamente aleatoria alrededor de su núcleo o que se transfiera a otro

átomo en razón a diferentes causas:

1.) Mucha energía térmica: se mueve tan rápido la molécula que en algún

momento el electrón puede saltar a otro átomo.

2.) Campo eléctrico: una fuente de carga lo atrae o lo repele muy

fuertemente de un momento a otro (puede ser entendido como un voltaje)

3.) Campo Magnético: igual a lo anterior, pero por causa de un imán.

4.) Energía mecánica microscópica: un golpe macroscopio de gran impacto

puede alterar la estructura interna de un sólido (por ejemplo, chocar dos

metales puede sacar chispas).

Entre otras. La teoría de bandas modela la manera como se distribuyen los

estados electrónicos según se alteran los parámetros relevantes del sistema.

Así, una banda no es más que un intervalo de energías asociadas como es

natural a un intervalo de estados posibles. Para el análisis del comportamiento

electromagnético de los semiconductores lo más importante es entender lo

referente a las bandas de valencia y conducción:

Si se analiza el comportamiento de un electrón que se mueve a través de un

sólido saltando de átomo a átomo, se entenderá que el potencial que

experimenta el potencial que ve el electrón es tan periódico como la

disposición de los átomos lo sea. Si tenemos una sucesión de cien átomos, el

electrón experimenta un decrecimiento de fuerza eléctrica que le ejerce el

átomo del que se está alejando mientras se incrementa la fuerza eléctrica

ejercida por el átomo al que se está acercando. El potencial debido a cada

átomo es de la misma forma (el potencial electroestático decrece como 1/ r y

cada átomo funciona como un ion visto desde la perspectiva del electrón) y

por esto tendríamos un potencial periódico en el caso de un material

compuesto por N átomos de algún elemento especifico.

Gráficamente tendríamos:

Potencial experimentado por un electrón: la línea horizontal es donde se

encuentran los átomos de interés, que el eje vertical representa la energía

potencial experimentada en cada punto.

Recuérdese que el máximo de energía potencial (en valor absoluto) se

experimenta cuando se encuentra justo en el punto donde está la fuente del

campo eléctrico.

Ahora, un electrón viajero no debe estar muy fuertemente atado a ninguno de

los átomos. Su energía cinética debe ser mayor que la magnitud de energía

potencial que lo atrae a cada átomo. Es por esto que el modelo de energía

potencial usado para cualquier estado en el que una partícula se encuentra de

alguna manera oscilando en una zona definida (orbitas, vibraciones, etc.) es

definido con SIGNO NEGATIVO. Así como la energía potencial Gravitacional

que la tierra tiene al girar alrededor del sol es un numero negativo, la energía

potencial electromagnética del electrón alrededor de un centro de carga

positiva es siempre negativa, para usar este hecho en el cálculo de la energía

total y definir un criterio que especifique cuándo es posible que el electrón

escape de la atracción y cuando no; en éste último caso hablamos de

un ESTADO LIGADO. Para entender lo anterior se consignan las

ecuaciones:

Donde hablamos de la carga Q del núcleo, la distancia R y ― Epsilon

sub cero , la permitividad del espacio libre.

Y si recordamos que si la magnitud de energía potencial almacenada es

mayor que la energía cinética entonces tenemos un estado ligado, podemos

decir que un estado ligado tiene energía total menor que cero. Esto tiene

sentido porque la energía potencial siempre se define arbitrariamente con

respecto a un nivel de referencia, así que podemos entenderla como negativa

y en ese caso la energía total puede ser también así. Es la ENERGIA

CINETICA la que no puede ser menor que cero. Con todo, es muy claro que

si el valor absoluto (la magnitud) de la energía potencial es mayor que la

energía cinética del electrón (es decir, esta orbitando o en estado ligado), es

cierto que la energía total hallada como se menciono anteriormente es menor

que cero.

Ahora, como el electrón ligado es muy diferente al electrón libre, se definen

Bandas para Electrones Ligados y Banda para electrón Libre. Primero

enunciamos cual es cada una e inmediatamente justificamos el porqué:

BANDA DE CONDUCCION: Es el intervalo que corresponde a las energías de

los electrones que pueden ser los electrones libres. Estas energías deben

corresponder a la última banda de energías del sistema atómico que NO ESTE

LLENA; es decir, el intervalo de energías que no tiene electrones o no tiene el

número máximo de electrones posibles para esa banda. Con la definición de

Banda de Valencia se aclara la razón de esto.

BANDA DE VALENCIA: Es la Banda asociada a los Electrones Ligados y es la

ultima banda que este llena. .Por qué? Porque es claro que, los electrones

libres ocupan un nivel de energía en el que haya posibilidad de perder y ganar

electrones. Si el electrón pasa por un sistema cuya última capa está llena, se

deduce que tomará los valores energéticos de la siguiente banda. Por otro

lado, si existe una banda parcialmente llena, estos electrones pueden ser

removidos fácilmente porque toda la capa es susceptible de interactuar con los

electrones de conducción. De hecho, se puede decir sin entrar en las razones

exactas de esto que las bandas llenas están blindadas contra la

conducción.

Esto tiene ciertas sutilezas que pueden constituirse en una especie de

excepción, pero tal efecto lo revisaremos en el siguiente apartado, al hablar de

Solapamiento de Bandas.

Características térmicas y electromagnéticas generales aplicables a

la teoría de bandas

Existe una dependencia de la temperatura y de la distancia en las graficas de

las bandas energéticas que existen en los materiales. Como se menciono

cuando se describieron inicialmente los semiconductores, las formas como

existen y evolucionan las bandas en cada material definen la clasificación de

estos. A la luz de los conceptos anteriormente explicados, podemos

comprender la siguiente figura esquemática:

Bandas de conducción y de valencia, extraído de www.wikimedia.org

Como puede verse en la figura, existe el solapamiento de bandas. Es decir, los

estados energético pueden que estar solapados (superpuestos), de manera

que, aunque la banda de valencia está llena, parte de sus energías son

también parte de los intervalos de la banda de conducción, de manera que un

mismo electrón en cierta forma pertenece a cualquiera de las dos bandas. En

la figura 39 también se aprecia que la superposición de estados del silicio

(grafica a la izquierda) ocurrirá en un punto específico del diagrama. La flecha

que señala el orden A, B, C indica un proceso de compresión. La forma de la

grafica de las bandas del carbono es casi exactamente igual al del silicio, como

quiera que ambos elementos tengan cuatro electrones en su última capa. Los

subíndices S y P diferencian las energías de los orbitales ― s de la de los

orbitales ― p , que son los asociados a cada banda.

DIODO IDEAL.

Diodo ideal es un dispositivo construido con dos terminales y con

unas características tal como se muestran en las figuras.

El diodo ideal tiene características semejantes a la de un interruptor solo

permite la conducción de corriente en una sola dirección. En la dirección que

indica la flecha en la figura 1.1a. Donde uno de sus terminales, el cual se llama

ánodo, tiene aplicado un potencial positivo (indicado en la gráfica con el signo

+), y en el otro terminal, el cual se llama cátodo, tiene aplicado un potencias

negativo. De esta forma, el diodo ideal cumple con lo siguiente:

RF= VF / IF=0v /KmA=0 Ω circuito cerrado(1.1)

Donde, RF es el valor de la resistencia directa.

VF es el valor del voltaje de polarización directa.

IF es el valor de la corriente a través del mismo.

K es cualquier valor positivo de corriente.

Si invertimos la polarización, esto es al ánodo le aplicamos el potencial

negativo y al cátodo el positivo, entonces se cumple con:

RR= VR/IR=Kvol / 0Ma= ∞ Ω circuito abierto (1.2)

Donde, RR es el valor de la resistencia inversa.

VR es el valor del voltaje de polarización

inversa. IR es el valor de la corriente a través

del mismo.

K es cualquier potencial de polarización

inversa.

Gráficamente podemos concluir:

Cuando un diodo ideal esta polarizado directamente tenemos

un cortocircuito.

Los semiconductores advirtiendo que el germanio (Ge) y el silicio (Si) no son los

únicos dos materiales semiconductores, pero ellos son los que más se han

trabajado en el desarrollo de dispositivos semiconductores. Pues estos

materiales poseen una consideración especial, se pueden fabricar con un

alto nivel de pureza. Esto es fundamental, porque si los niveles de impurezas

son mayores se puede pasar de un material semiconductor a uno conductor. La

otra razón importante para que el silicio y el germanio sean tenidos en

cuenta en la fabricación de semiconductores está en la

habilidad para transformar significativamente las

características del material en un proceso llamado dopado. Además, pueden ser

modificados por otros métodos como la aplicación de luz o de calor.

Vamos a representar un cristal de silicio de la siguiente

forma:

Representación de un cristal de silicio

Cada átomo de silicio comparte sus 4 electrones de valencia con los átomos

vecinos, de tal manera que tiene 8 electrones en la órbita de valencia. La

fuerza del enlace covalente es tan grande porque son 8 los electrones

que quedan

aunque sean compartidos) con cada átomo, gracias a esta característica

los enlaces covalentes son de una gran solidez.

Según un convenio ampliamente aceptado tomaremos la dirección de la

corriente como contraria a la dirección de los electrones libres.

Grafica de movimiento de electrones en el

silicio.

En la figura vemos que los electrones libres (electrones) se mueven hacia la

izquierda ocupando el lugar del hueco. Los electrones ligados (huecos) se

mueven hacia la derecha.

Carga del electrón libre = -1.6x10-19 Culombios. Carga de

electrón ligado = +1.6x10-19 Culombios.

Diodo

semiconductor.

Los semiconductores tipo p y tipo n separados no tienen mucha utilidad, pero si

un cristal se dopa de tal forma que una mitad sea tipo n y la otra mitad de tipo p,

esa unión PN tiene unas propiedades muy útiles y entre otras cosas forman los

"Diodos".

Entonces la representación de un semiconductor tipo n

sería:

Y la de un SC tipo

p:

La unión de las regiones p y n

será:

Al juntar las regiones tipo p y tipo n se crea un "Diodo de unión" o "Unión

pn".

Zona de

deplexión

Los dipolos tienen un campo eléctrico entre los iones positivo y negativo, y

al entrar los electrones libres en la zona de deplexión, el campo eléctrico trata de

devolverlos a la zona n. La intensidad del campo eléctrico aumenta con cada

electrón que cruza hasta llegar al equilibrio.

El campo eléctrico entre los iones es equivalente a una diferencia de

potencial llamada "Barrera de Potencial" que a 25 ºC vale:

0.3 V para diodos de

Ge.

0.7 V para diodos de

Si.

Polarizar: Poner una pila o fuente de voltaje

DC.

Si el terminal positivo de la fuente está conectado al material tipo p y el terminal

negativo de la fuente está conectado al material tipo n, diremos que estamos en

"Polarización Directa".

La conexión en polarización directa tendría esta

forma:

Figura Polarización

directa

En este caso tenemos una corriente que circula con facilidad, debido a que la

fuente obliga a que los electrones libres y huecos fluyan hacia la unión.

Al moverse los electrones libres hacia la unión, se crean iones positivos

en el extremo derecho de la unión que atraerán a los electrones hacia el cristal

desde el circuito externo. Así los electrones libres pueden abandonar el

terminal negativo de la fuente y fluir hacia el extremo derecho del cristal. El

sentido de la corriente lo tomaremos siempre contrario al del electrón.

Sentido del movimiento del electrón libre (e-) y de la corriente

(I).

Lo que le sucede al electrón: Tras abandonar el terminal negativo de la

fuente entra por el extremo derecho del cristal. Se desplaza a través de la zona

n como electrón libre. En la unión se recombina con un hueco y se convierte

en electrón de valencia. Se desplaza a través de la zona p como electrón de

valencia. Tras abandonar el extremo izquierdo del cristal fluye al terminal

positivo de la fuente.

CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN DIODO IDEAL

Si el diodo está polarizado directamente, su circuito equivalente es el de un

conmutador cerrado, pequeña resistencia.

 Con polarización inversa, el circuito representa un conmutador abierto, gran

resistencia.

CURVA CARACTERÍSTICA DEL DIODO

Con la polarización directa los electrones portadores aumentan su velocidad y al

chocar con los átomos generan calor que hará aumentar la temperatura del

semiconductor. Este aumento activa la conducción en el diodo.

Característica I/V de un diodo semiconductor

Vu Tensión umbral

Vs Tensión de saturación

Vr Tensión de ruptura

OA Zona de baja polarización directa, pequeña corriente

AB Zona de conducción

OC Corriente inversa de saturación

A partir de C, zona de avalancha

Circuitos equivalentes para

diodos.

Se define un circuito equivalente como una combinación de elementos elegidos

de forma apropiada para representar de la mejor manera las

características terminales reales de un dispositivo, sistema o similar, para

una región de operación particular.

La idea es sustituir por un circuito equivalente que no afecte de forma

importante el comportamiento real del sistema. Para poder conseguir una red

que pueda resolverse con las técnicas tradicionales de análisis de circuitos.

La forma más fácil de hacerlo es mediante el uso de segmentos donde los

comportamientos son lineales. Aun cuando no se represente de forma exacta las

características reales del dispositivo o sistema. Sin embargo, el resultado

está muy aproximado a la curva real, lo cual, establece un circuito equivalente

que proporciona una muy buena aproximación al comportamiento real del

dispositivo.

Previamente debemos tener en cuenta, en el comportamiento la función

resistiva que posee el diodo. Antes de ver el diodo vamos a ver las

características de la resistencia.

La resistencia de carbón típica está formada por polvo de carbón machacado.

Son importantes las dimensiones del carbón.

Análisis de una

resistencia

Para analizar el comportamiento de esa resistencia la polarizaremos primero en

directa. Se toman los valores con un Amperímetro y un Voltímetro y se

representa la I en función de V, con lo que tendremos el comportamiento de la

resistencia.

Comportamiento de una resistencia en la región de polarización directa.

Entonces al final nos quedará de la siguiente forma:

Curva característica de una resistencia.

A esta representación se le llama "Curva Característica" y es una recta, por ello

se dice que la resistencia es un "Elemento Lineal". Es más fácil trabajar con los

elementos lineales porque sus ecuaciones son muy simples.

Analizamos de la misma forma el

diodo:

Se le van dando distintos valores a la pila y se miden las tensiones y corrientes

por el diodo, tanto en directa como en inversa (variando la polarización de la

pila). Y así obtenemos una tabla que al ponerla de forma gráfica sale algo así:

Entonces al final nos quedará de la siguiente forma:

Curva característica de una resistencia.

A esta representación se le llama "Curva Característica" y es una recta, por ello

se dice que la resistencia es un "Elemento Lineal". Es más fácil trabajar con los

elementos lineales porque sus ecuaciones son muy simples.

CONCLUSIONES

En esta entrega estudiamos a los diodos y sus características como un previo a su utilización en circuitos convertidores de CA en CC. Este es el primer componente activo que le presentemos, el más simple de usar y aquel que se utilizó por primera ves en nuestra querida ciencia de la electrónica. Por supuesto que si Fleming volviera hoy a nuestro mundo y observara un pequeño diodo de silicio no podría reconocer su viejo dispositivo. En realidad el que construyó el primer diodo no fue Fleming sino Tomas Alva Edison, solo que no supo reconocer su utilidad y simplemente anotó en sus famosos cuadernos de bitácora que había construido una lámpara incandescente pero que tenía el problema de que el vidrio se oscurecía y espejaba con el uso. La colocación de una pequeña plaquita metálica en su interior conectada al positivo de la batería solucionaba el problema y como Edison solucionó su problema simplemente anotó la solución y se olvidó. Fleming se encontró con ese cuaderno años mas tarde, sintió curiosidad y repitió la experiencia que resultó totalmente cierta. El estudio de este hecho olvidado por Edison y la sagacidad de Fleming que lo aplicó a los receptores de radio, fue uno de los grandes pasos de nuestra ciencia electrónica sino el más grande de todos.