ELECTRONICA
SEMICONDUCTORES
Estos
tipos de materiales se forman con
elemento de grupo 4 o bien por medio de combinaciones de elementos del grupo 3
y 5 (en proporciones similares) de la tabla periódica. Podemos encontrar
materiales semi-conductores intrínsecos y extrínsecos
Los
semiconductores intrínsecos están
constituidos solo por el elemento principal, careciendo de otros elementos o
impurezas además son regulables, esto significa que poseen una estructura
cristalina cuyo ordenamiento es constante y sin imperfecciones a lo largo de
toda la pieza del material
Los
extrínsecos son generalmente mono-cristalinos
(muy regulables) tiene una pequeña cantidad controlada de impurezas, las cuales
son seleccionados previamente. Las impurezas tienen como función alterar la
estructura semi-conductor anfitrión, variando considerablemente las propiedades
de conducción eléctrica de este volumen confiriéndole una cierta polaridad
pudiendo ser:
·
P
(exceso de cargas positivas)
·
N
(ausencia o falta de electrones)
Los
2 elementos mas utilizados son:
·
Silicio
·
Germanio
Diodos semiconductores
Actualmente los diodos se fabrican a partir de la unión de dos materiales semiconductores de características opuestas, es decir, uno de tipo N y otro de tipo P. A esta estructura se le añaden dos terminales metálicos para la conexión con el resto del circuito. En la Figura 3: se presenta el esquema de los dos tipos de diodos que se fabrican actualmente, el diodo vertical y el plano.
Los diodos constan de dos
partes, se forman al juntar un cristal tipo N y otro tipo P, separados por una
juntura llamada barrera o unión.Esta barrera o unión es de 0,2 a 0.3V en el diodo de germanio
y de 0.6 voltios aproximadamente en el diodo de silicio
Principio de operación de un diodo
El semiconductor tipo N tiene
electrones libres (exceso de electrones) y el semiconductor tipo P tiene huecos libres (ausencia o falta
de electrones).
Da
la impresión que al juntar estos dos cristales de cargas opuestas, en la unión
de ambos se produciría una neutralización de cargas, pero no es así ya que en
dicha unión aparece una pequeña barrera por efecto de la repulsión que evita
este fenómeno.
Ahora bien, si conectamos un generador al diodo,
de tal forma que el polo positivo de este coincida con el cristal tipo P y el
negativo con el cristal tipo N, las cargas negativas serán repelidas hacia a
superficie de la unión con gran fuerza y vencerán de este modo la barrera
existente en la unión de los materiales (conocida coma zona desierta o región
de agotamiento). Por lo tanto, se producirá una corriente eléctrica IF
a través del diodo, neutralizándose los electrones con los huecos.
Si conectáramos el generador en sentido contrario
los electrones libres del cristal N se sentirían atraídos por el polo positivo
del generador y los huecos por el polo negativo del mismo, creándose en la
unión una especie de vacío que evita la circulación de corriente a través del
diodo. En este caso se ha conectado el diodo en sentido inverso.
A pesar de ello
siempre existe una pequeña corriente de fuga que recibe el nombre decorriente
inversa del diodo (IR)
TIPOS DE DIODOS
Diodo Zener
Recordar que los diodos
comunes, como el diodo rectificador (en donde se aprovechan
sus características de polarización directa y polarización inversa), conducen
siempre en el sentido de la flecha.
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
un voltaje 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.
Curva
característica del diodo Zener
Analizando la curva del diodo zener se ve que conforme se
va aumentando negativamente el voltaje aplicado al diodo,
la corriente que pasa por el aumenta muy poco.
Pero una vez que se llega a un determinado voltaje, llamada voltaje o tensión de Zener (Vz), el aumento del voltaje (siempre negativamente) es muy pequeño, pudiendo considerarse constante.
Para este voltaje, la corriente que atraviesa el diodo zener, puede variar en un granrango 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 el voltaje se mantiene prácticamente constante para una gran variación de corriente
Diodo LED.
(Diodo emisor de luz. Light-EmittingDiode)
Si alguna vez ha visto, unas
pequeñas luces de diferentes colores que se encienden y apagan, en algún circuito electrónico, ha visto los diodos LED en funcionamiento.
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 diodo LED se comporta igual que un diodo de silicio o germanio.
Aplicaciones
Este se utiliza
ampliamente en aplicaciones visuales, como indicadoras de cierta situación
específica de funcionamiento.
·
Ejemplos
- Se utilizan para desplegar contadores
- Para indicar la polaridad de una fuente de alimentación de corriente continua.
- Para indicar la actividad de una fuente de alimentación de corriente alterna.
- En dispositivos de alarma, etc.
- Se utilizan para desplegar contadores
- Para indicar la polaridad de una fuente de alimentación de corriente continua.
- Para indicar la actividad de una fuente de alimentación de corriente alterna.
- En dispositivos de alarma, etc.
Diodo Schottky
A diferencia del
diodo semiconductor normal que tiene una unión P–N, el diodo schottky tiene una unión
Metal-N.
Estos diodos
se caracterizan por su velocidad de conmutación, una
baja caída de Voltaje cuando están polarizados en directo (típicamente de 0.25
a 0.4 voltios).
El diodo Schottky está más cerca del
diodo ideal que el diodo semiconductor común pero tiene
algunas características que hacen imposible su utilización en aplicaciones
de potencia.
Estas son:
-
El diodo
Schottky tiene poca capacidad de conducción de corriente en directo
(en sentido de la flecha).
Esta característica
no permite que sea utilizado como diodo rectificador. Hay procesos
de rectificación (por ejemplo fuentes de alimentación) en que la
cantidad de corriente que tienen que conducir en sentido directo es bastante
grande.
-
El diodo
Schottky no acepta grandes voltajes que lo polaricen inversamente
(VCRR).
El proceso de
rectificación antes mencionado también requiere que la tensión inversa que
tiene que soportar el diodo sea grande.
Sin embargo el diodo
Schottky encuentra gran cantidad de aplicaciones en circuitos
de alta velocidad como en computadoras, donde se necesitan grandes velocidades
de conmutación y su poca caída de voltaje en directo
causa poco gasto de energía.
El símbolo del diodo
Schottkyse ve en el siguiente diagrama:
El diodo Tunnel se comporta de una manera
muy interesante conforme se le va aumentando una tensión aplicada en sentido
directo.
-
Cuando se aplica
una pequeña tensión, el diodo tunnel empieza a conducir (la
corriente empieza a fluir).
- Si se sigue aumentando esta tensión la corriente aumentará hasta llegar un
punto después del cual la corriente disminuye.
- La corriente continuará disminuyendo hasta llegar al punto mínimo de un
"valle".
- Después volverá a incrementarse. En esta ocasión la corriente continuará
aumentando conforme aumenta la tensión.
Así, estos diodos
sólo encuentran aplicaciones reducidas como en circuitos osciladores de alta frecuencia.
Diodo varactor (Varicap)
(Características, relación tensión-capacitancia)
Todos
los diodos cuando están polarizados en sentido opuesto tienen una capacitancia
que aparece entre sus terminales.
Los diodos varactores o varicap han sido diseñados
de manera que su funcionamiento sea similar al de un capacitor y tengan una
característica capacitancia-tensión dentro de límites razonables.
En el siguiente
gráfico se muestra las similitudes entre un diodo y un capacitor.
Debido a la
recombinación de los portadores en el diodo, una zona de agotamiento
se forma en la juntura.
Esta zona de
agotamiento actúa como un dieléctrico (aislante), ya
que no hay ninguna carga y flujo de corriente.
Las áreas exteriores
a la zona de agotamiento si tienen portadores de carga (área semiconductor).
Se puede visualizar sin dificultad la formación de un capacitor en el diodo
(dos materiales semiconductores deparados por un
aislante).
La amplitud de la zona de agotamiento
se puede ampliar incrementando la tensión inversa aplicada al diodo con
una fuente externa.
|
 |
Esto causa que se
aumente la separación (aislante) y separa más las áreas semiconductoras. Este
último disminuye la capacitancia.
Entonces, la
capacitancia es función de la tensión aplicada al diodo.
-
Si la tensión
aplicada al diodo aumenta la capacitancia disminuye.
-
Si la tensión
disminuye la capacitancia aumenta
Símbolo del diodo varactor
Diodo Gunn
Efecto Gunn
El efecto fue
descubierto por Gunn en 1963.
Este efecto es un instrumento eficaz para la generación
de oscilaciones en el rango de las microondas en los
materiales semiconductores.
Gunn observó esta característica en el Arseniuro
de Galio (GaAs) y el Fósforo de Indio (InP)
El efectoGunn
es una propiedad del cuerpo de los semiconductores
y no depende de la unión misma, ni de los contactos,
tampoco depende de los valores de voltaje y corriente y no es afectado por
campos magnéticos.
Cuando se aplica
un pequeño voltaje continuo a través de una plaquita
delgada de Arseniuro de Galio (GaAs), ésta
presenta características de resistencia negativa. Todo esto bajo la condición de que el voltaje en la plaquita sea mayor a los 3.3 voltios / cm.
presenta características de resistencia negativa. Todo esto bajo la condición de que el voltaje en la plaquita sea mayor a los 3.3 voltios / cm.
Ahora, si esta
plaquita es conectada a un circuito sintonizado, se
producirán oscilaciones y todo el conjunto se puede utilizar como oscilador.
Estas
oscilaciones corresponden aproximadamente al tiempo que los electrones
necesitan para atravesar una
|
|
plaquita de
material tipo N cuando se aplica el voltaje en continua.
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Diodos de potencia
Uno de los dispositivos más importantes de los circuitos de potencia son
los diodos, aunque tienen, entre otras, las siguientes limitaciones: son
dispositivos unidireccionales, no pudiendo circular la corriente en sentido
contrario al de conducción. El único procedimiento de control es invertir el
voltaje entre ánodo y cátodo.
Los diodos de potencia se caracterizan porque en estado de conducción,
deben ser capaces de soportar una alta intensidad con una pequeña caída de
tensión. En sentido inverso, deben ser capaces de soportar una fuerte tensión
negativa de ánodo con una pequeña intensidad de fugas.
El diodo conduce si el voltaje aplicado es mayor que un voltaje
especifico llamado VOLTAJE OTENSION
UMBRAL de corte de activación, el cual típicamente es de 0.7 volt
Cuando el potencial del cátodo es positivo respecto al ánodo, se dice
que el diodo tiene polarización INVERSA
En esta condición fluye una pequeña corriente inversa (llamada corriente
de fuga) en el rango de los µA (micro
Amper) a mA (mili Amper), cuya magnitud crece lentamente en función del voltaje inverso, hasta llegar
a un voltaje de avalancha o zener
Si el voltaje inverso es alto, por lo general mayor a
1000V supera un voltaje de ruptura. En este punto la corriente inversa
aumenta rápidamente, pero el dispositivo no se destruirá, siempre y cuando la
disipación de potencia este dentro del nivel seguro especificado en la hoja de
datos del fabricante
La curva característica será la que se puede ver en la parte superior,
donde:
VRRM: tensión inversa
máxima
VD: tensión de codo.
A menudo es necesario limitar la corriente inversa, en la región de
ruptura, a fin de mantener la disipación de la energía dentro de los valores
permisibles
Cuando un diodo esta en modo de “conducción directa” y su corriente se
reduce a cero, el diodo continúa conduciendo por un corto periodo de tiempo
determinado “tiempo de recuperación inversa”
