Semiconductores: Electrónica Analógica Discreta

Circuitos Electrónicos Analógicos con Componentes Discretos

Semiconductores

• Un semiconductor se comporta como conductor o aislante, dependiendo de factores como el campo eléctrico o magnético.
• Los cristales semiconductores más comunes son silicio, germanio o selenio, cuyas moléculas tienen formas geométricas regulares.
• Los átomos de estos cristales tienen cuatro electrones de valencia (tetravalentes) que se comparten para formar ocho enlaces covalentes, logrando estabilidad eléctrica.
• Este tipo de semiconductor se conoce como puro o intrínseco.
• El equilibrio de un semiconductor puro se rompe al añadir sustancias pentavalentes (donadoras) como antimonio o arsénico, convirtiéndose en un semiconductor extrínseco de tipo -N- que aporta electrones.
• Si se añaden sustancias trivalentes (aceptadoras) como aluminio o boro, se convierte en un semiconductor extrínseco de tipo -P-, que sustrae electrones.
• Los semiconductores han revolucionado la electrónica, dando lugar a diodos y transistores que han reemplazado las válvulas de vacío.
• Hoy en día, los circuitos integrados contienen miles de diodos y transistores en una pequeña cápsula.

El Diodo Semiconductor

• Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que permite el flujo de corriente eléctrica en un solo sentido.
• Consiste en una pieza de cristal semiconductor conectada a dos terminales eléctricos.
• Se forma uniendo dos cristales semiconductores de tipo -N- y -P-.
• En el contacto, se crea una zona neutra donde los electrones libres son captados por los "huecos", formando una barrera aislante que impide que los electrones del cristal -N- pasen al cristal -P-.
• Al cristal -P- se le denomina "ánodo" (A), mientras que al cristal -N- se le denomina "cátodo" (K).
• El cátodo se identifica por una franja o anillo en el cuerpo del componente.
• El diodo puede polarizarse de dos maneras: directa o inversa.
• Con polarización directa, el diodo presenta baja resistencia y se comporta como un conductor.
• Con polarización inversa, el diodo presenta alta resistencia y actúa como un aislante.
• La polarización directa se produce aplicando energía para desprender electrones de la barrera de unión o aplicando una diferencia de potencial donde el polo positivo se conecta al cristal -P- y el negativo al cristal -N-.
• La barrera se estrecha por repulsión electrostática.
• Si la tensión directa (Uf) supera un umbral (0.6V para silicio, 0.2V para germanio), se establece una corriente (IF).
• La corriente consiste en portadores mayoritarios que van del polo negativo al cristal -N-, atraviesan la barrera, se combinan con los huecos del cristal -P- y alcanzan el polo positivo.
• La relación entre tensión (UF) y corriente (IF) se representa en la "curva característica de polarización".
• En la polarización inversa, el diodo se ensancha por efecto electrostático, impidiendo el flujo de electrones, excepto por una pequeña corriente inversa (IR) causada por portadores minoritarios.
• Esta corriente aumenta con la temperatura.
• Si la tensión inversa (UR) es muy alta, se produce una "corriente avalancha" que destruye el diodo.
• El diodo es un elemento semiconductor que solo permite el flujo de corriente en un sentido cuando se polariza directamente.
• Esta propiedad se aprovecha en "circuitos rectificadores" para convertir corriente alterna en corriente continua.

Rectificadores

• Una de las principales aplicaciones de los diodos es la rectificación, convertir una señal alterna en continua.
• Los circuitos rectificadores son esenciales en las fuentes de alimentación, utilizando transformadores, rectificadores y filtros para obtener una tensión continua pura.
• Los rectificadores pueden ser de media onda o de onda completa (con toma media o con puente de Graetz).

Rectificador de Media Onda (MO)

• Convierte una tensión alterna en una tensión continua pulsante llamada onda rectificada.
• Cuando la tensión instantánea es positiva y superior al umbral (0.6V), el diodo se polariza directamente, permitiendo la corriente al receptor (RL).
• En el semiciclo negativo, el diodo se polariza inversamente e interrumpe la corriente.
• El diodo actúa como un interruptor abierto y debe soportar la tensión inversa de pico, por lo cual, la tensión inversa (UR) del diodo debe ser superior a la tensión inversa de entrada.
• También se debe respetar la corriente directa (IF) que puede soportar el diodo.

Rectificador de Doble Onda u Onda Completa (DO)

• El circuito rectificador de media onda no proporciona una corriente continua perfecta.
• Para mejorar la rectificación de ambos semiciclos se utiliza el circuito rectificador ya sea mediante transformador con toma intermedia o mediante puente rectificador.

Rectificador de Doble Onda mediante Transformador con Toma Intermedia

• Utiliza dos diodos y un transformador especial con un secundario formado por dos bobinados simétricos que comparten una toma intermedia.
• En ambos bobinados se obtienen formas de onda en contrafase (desfasadas 180º).
• En el semiciclo positivo, el diodo D1 conduce mientras que D2 se bloquea.
• En el semiciclo negativo, D2 conduce y D1 se bloquea.
• Los diodos conducen alternativamente, entregando una tensión y corriente unidireccional (continua pulsatoria) a través de la resistencia de carga (R₁).

Rectificador de Doble Onda con Puente de Graetz

• Utiliza cuatro diodos conectados en "puente", compactados en un solo componente.
• Es un circuito más económico y utilizado que el anterior.
• La entrada de alterna se aplica a las conexiones de ánodo y cátodo de los diodos y la salida continua positiva se obtiene en la conexión de dos cátodos.
• En el semiciclo positivo, los diodos D2 y D3 conducen, permitiendo el paso de la corriente a través de la resistencia R₁, mientras que D1 y D4 se bloquean.
• En el semiciclo negativo, D1 y D4 conducen mientras D2 y D3 se bloquean.
• Produce así una rectificación de onda completa con conducción simultánea y alternada de los diodos.

El Diodo Zener

• Se comporta de forma similar a un diodo semiconductor en polarización directa.
• En polarización inversa, al alcanzar la "tensión Zener" (Uz), se crea un canal conductor en la barrera, manteniéndose mientras la tensión sea Uz.
• La corriente inversa mínima (Iz (mín) = 5 mA.) debe respetarse para que el diodo Zener funcione correctamente, así como los valores límite del fabricante.
• Tiene un comportamiento semidireccional, permitiendo el flujo de corriente en polarización directa y cuando se supera la tensión Zener en polarización inversa.
• Se utiliza principalmente en estabilizadores de tensión y en limitadores o recortadores de cresta.

El Diodo LED

• Es un "Diodo Emisor de LUZ" que pertenece los dispositivos optoelectrónicos.
• Con características electroluminiscentes y se usa como señalizador de encendido en equipos electrónicos como sonido y computadoras.
• Se forma con la unión de cristales semiconductores P-N contaminados especialmente.
• Al polarizar directamente, los electrones de valencia del cristal -N- atraviesan la unión y se recombinan con los huecos del cristal -P-.
• Los electrones se trasladan de un nivel de energía más alto a uno más bajo, produciendo una liberación de energía en forma de radiaciones electromagnéticas dentro del espectro luminoso.
• Se fabrican con arseniuro de galio y fósforo.
• Se modifican para emits distintos colores (rojo, naranja, verde, amarilla, azul o infrarroja).
• Los diodos luminiscentes con galio, fósforo y óxido de zinc emiten luz roja mientras que los que admiten nitrógeno, emiten luz verde.
• Para no exceder la potencia disipable indicada por el fabricante, se debe conectar en serie con una resistencia (R5).
• Los diodos LED irradian una sola luz monocromáticos) sin estar en fase y se propagan dispersa.
• Los diodos LASER producen una luz cromática coherente (en fase), resultando en un rayo de luz muy preciso.
• Los diodos IRED emiten luz infrarroja no visible con longitud de onda mayor que la del rojo (>600 nm).

El Fotodiodo

• Es un dispositivo semiconductor optoelectrónico sensible a las radiaciones que en él incidan.
• Al aumentar la incidencia de luz, aumenta también la corriente inversa que fluye por el fotodiodo.
• Si se conecta un fotodiodo con una tensión de polarización inversa, fluirá una pequeña corriente inversa proporcional a la incidencia de luz.
• Se usa como fotodetector para transformar una magnitud luminosa en eléctrica.
• El comportamiento del fotodiodo se muestra en la gráfica de polarización inversa. Al aumentar la intensidad de la radiación luminosa (en lux), aumenta la corriente inversa.

Aplicaciones de los Dispositivos Optoelectrónicos

• Señalización: los diodos LED tienen ventajas sobre las lámparas incandescentesy son : mayor duración, resistencia mecánica, tamaño reducido, bajo consumo y variedad de colores, en combinación con otros semiconductores.
• Iluminación: una de las aplicaciones importantes de los LED son las lámparas LED de alta luminosidad, por su eficacia y duración.
• Indicadores o visualizadores: fabrican displays o indicadores numéricos de siete segmentos que pueden representar dígitos del 0 al 9.

Pantallas de Cristal Líquido

• Los cristales líquidos son sustancias que comparten características de los líquidos y los sólidos cristalinos.
• En un líquido, las moléculas se encuentran desordenadas y en un sólido, se encuentran pegadas de forma rígida.
• En los cristales líquidos, la orientación de las moléculas puede alinearse con la temperatura o los campos eléctricos de polarización presentando propiedades ópticas (transparencia u opacidad) según la presencia o ausencia del campo.
• No generan luz propia, por lo que necesitan una fuente de luz fija para reflejarse o filtrarse.

Mando y Telecomunicación por Infrarrojos

• En los mandos a distancia, un IRED alimentado por una señal digital codificada emite impulsos de luz infrarroja (no visible).
• Un fotodiodo o fototransistor sensible a esta radiación capta la señal y la procesa.
• Sensórica: en sensores ópticos (barreras infrarrojas, detectores de proximidad, detectores de humo y fuego), un diodo IRED emite un rayo infrarrojo que un fotodiodo o fototransistor capta y procesa.
• Lectores Ópticos: lectores de códigos de barras, lectores de CD y DVD utilizan luz láser y es de tipo coherente y concentrada en la que las longitudes de onda están en fase, también funciona con escáner óptico, la impresora laser y las fotocopiadoras.
• Comunicaciones por fibra óptica: la fibra óptica un medio de transmisión habitual en redes de datos con un hilo muy fino de vidrio transparente y permite enviar gran cantidad de datos.

Transistores Bipolares

• Se forman uniendo cristales semiconductores de tipo "P" y "N". En este caso se utilizan tres cristales para formar dos uniones “P-N” o “N-P”.
• BJT (Bipolar Junction Transistor) es un componente electrónico con un cristal semiconductor de tipo “N” entre otros dos de tipo “P”, o viceversa.
• Su fabricación resulta en una configuración de dos uniones de tipo "PNP" o "NPN". La primera letra corresponde al "emisor” (E), la del medio a la "base" (B) y la última al "colector" (C).
• Los transistores traen una cápsula con tres terminales externos de conexión.
• La corriente atraviesa el transistor en una sola dirección (IE = IB + IC), estableciendo tensión en las uniones (VBE y VCE en NPN, VEB y VEC en PNP).
• Beta(β) de un transistor: relación entre la corriente de colector y de base
• En un transistor, la corriente se relaciona como IC = B.IB, donde B (HFE) se conoce como ganancia del transistor y tiene valor en 100
• Alfa(α) de un transistor: relación entre corriente de colector y emisor
• Su valor es prácticamente la unidad (Ic ≈ IE), así que Ic = α • IE.

Zonas de Funcionamiento del Transistor Bipolar

• Zona de corte: si VB ≤ VBE (0.6 – 0.7 V), no existe IB, la lámpara se encuentra apagada.
• Zona activa: si VB aumenta, en el momento en que VB > VBE, existe IB y IC = B.IB. La lámpara se encuentra encendida.
• Zona de saturación: si VB alcanza un valor tal que IB = IB min, IC = ICsat, la luz se prende y quedará constante.

Curvas Características del Transistor

• Se representan con graficas que interrelacionan la tensión y la intensidad de la corriente
• El color amarillo representa la zona de corte, azul la zona de saturación, el resto representa la zona lineal, donde transistor amplifica la corriente de base.

Aplicaciones del Transistor

• Amplificar: se determina por la relación entre el nivel obtenido en la salida y el de la entrada.
• Se calcula como la ganancia de corriente (A₁) = (corriente de salida) / (corriente de entrada) = Ic / IB = β
• El transistor como amplificador, usa una menor corriente de base (IB) en la entrada que controla la corriente (Ic) en la salida.
• Conmutar circuitos: funciona como un interruptor y tiene dos estados bien diferenciados(bloqueo y conducción).
• El transistor bloqueado (zona de corte) pasa a la zona de saturación (conduciendo).
• La conmutación se produce cuando la tensión es (VB-E) es de 0 V (corte) o de 0,7V (saturación).
• Se emplea en electrónica digital, con señales digitales con dos valores diferentes (0V y 5V) normalmente.

Circuitos de Polarización

• Para usar una fuente, existen configuraciones de: emisor común usando transistor NPN
• Polarización fija o de base (A), realimentación de emisor (B), por realimentación de colector (C), polarización universal (D).
• Polarización fija o de base: es un circuito simple de alimentarlo, pero no estabiliza la ganancia (β) con las variaciones de temperatura en el transistor. Aplica en circuitos de conmutación para corte y saturación (interruptor electrónico). La base debe polarizar, debe tener tal valor la resistencia (RB) que su caída de tensión sea de "Ucc-0,7".
• Polarización universal: es variante la circuito por realimentación usando un divisor de tensión.