Download Diodo túnel

2. SEMICONDUCTORES
2.1. Conductores, aislantes y semiconductores
Dependiendo de su comportamiento ante la corriente eléctrica, los materiales pueden clasificarse en dos
categorías:
1) Conductores. Son materiales que permiten el libre flujo de cargas eléctricas en su interior; por ejemplo, el
cobre, la plata, el aluminio y, en general, todos los metales.
2) Aislantes. Son materiales que bloquean por completo el paso de la corriente eléctrica; por ejemplo, los
plásticos, la madera, el papel, la cerámica o el vidrio.
Si observa el cable que alimenta a cualquier aparato eléctrico, encontrará que en este sencillo cordón se
combinan ambos tipos de materiales, puesto que se utiliza cobre como conductor y un aislante plástico como
protector contra descargas.
Sin embargo, existen otros materiales y situaciones donde la frontera entre conductor y aislante no está
claramente definida. Por ejemplo, aunque el papel es un buen aislante, cuando se quema y convierte en carbón
pasa a ser un conductor aceptable; o bien, cuando se maneja un aparato con las manos mojadas puede
sufrirse una descarga, al contrario de lo que sucede cuando se maneja con las manos secas, pues la piel varía
sus propiedades conductoras según la humedad.
¿En qué se diferencia un conductor de un
aislante? Por nuestros estudios básicos
sabemos que los materiales cumplen una
propiedad llamada “resistencia eléctrica“,
cuya magnitud medida en ohms define el
grado de oposición que presenta cada
material
al
flujo
de
la
corriente.
Genéricamente, podemos decir que un
“conductor” es todo material que posee una
resistencia eléctrica menor a 0.00001 ohms
por centímetro, mientras que un “aislante” es
todo material cuya resistencia es superior a
los 1010 ohms por centímetro. Sin embargo,
como se deduce fácilmente, existe una zona intermedia muy amplia entre ambas magnitudes, en la que no se
puede hablar ni de conductores ni de aislantes (figura 2).
Después de la Segunda Guerra Mundial, los científicos
se interesaron por el estudio de esa franja de
indefinición, encontrando algunos elementos químicos
que, en determinadas circunstancias, se comportaban
como conductores y en otras como aislantes.
Justamente, debido a esa propiedad tan peculiar, a
dichos elementos se les llamó “semiconductores“. Y en
ellos descansa ahora el monumental edificio de la
electrónica moderna. Los elementos semiconductores
más conocidos son el germanio y el silicio (figura 3),
materiales que en estado de pureza no conducen
electricidad; sin embargo, cuando se les añade cierta
cantidad de partículas de otros elementos que
constituyen impurezas, se modifican sus propiedades,
pasando a un estado de conducción parcial.
Dependiendo de la cantidad y del tipo de impurezas
añadidas, el material se puede convertir en una fuente o
en un absorbente de electrones. Cuando el material se
encuentra con un exceso de cargas negativas se le
denomina “tipo N“ y cuando se encuentra con un
exceso de cargas positivas se le llama “tipo P“ (figura
4). No ofreceremos explicaciones desde el punto de
vista atómico sobre la razón de este comportamiento,
puesto que tendríamos que exponer diversas
consideraciones teóricas que alargarían el tema;
simplemente, aceptaremos esta conducta de los
materiales como un postulado.
La tecnología requerida en la producción de
semiconductores es de muy alto nivel, ya que para
garantizar las propiedades óptimas de estos materiales, a un elemento de extraordinaria pureza debe
mezclársele una cantidad cuidadosamente medida y controlada de impurezas. En efecto, para la fabricación de
los modernos materiales semiconductores se emplea sobre todo el silicio, con una pureza de alrededor del
9.99999 % (en una comparación simple, esto equivaldría a un tráiler lleno de azúcar con apenas una
cucharada de sal mezclada en ese volumen, semejando a las impurezas. Una vez obtenido el silicio de alta
pureza, ya es posible fabricar los distintos componentes que resultan claves en la tecnología electrónica, como
el diodo, el transistor, los tiristores, los circuitos integrados, etc., con los que a su vez se construye
prácticamente todo aparato o instrumento electrónico, desde un radio hasta una computadora, añadiendo
simplemente algunos elementos adicionales.
Un semiconductor es una sustancia que se comporta como
conductor o como aislante dependiendo de la temperatura del
Electrones en
Grupo
ambiente en el que se encuentre. Los elementos químicos Elemento
la última capa
semiconductores de la tabla periódica se indican en la tabla siguiente.
Cd
II A
2 eEl elemento semiconductor más usado es el silicio, aunque idéntico
comportamiento presentan las combinaciones de elementos de los
grupos II y III con los de los grupos VI y V respectivamente (AsGa,
PIn, AsGaAl, TeCd, SeCd y SCd). De un tiempo a esta parte se ha
comenzado a emplear también el azufre. La característica común a
todos ellos es que son tetravalentes, teniendo el silicio una
configuración electrónica s²p².
Al, Ga, B, In III A
3 e-
Si, Ge
IV A
4 e-
P, As, Sb
VA
5 e-
Se, Te, (S)
VI A
6 e-
Conductividad eléctrica del cristal
Para que la conducción de la electricidad sea posible es necesario que haya electrones que no estén ligados a
un enlace determinado (banda de valencia), sino que sean capaces de desplazarse por el cristal (banda de
conducción). La separación entre la banda de valencia y la de conducción se llama banda prohibida, porque
en ella no puede haber portadores de corriente. Así podemos considerar tres situaciones:



Los metales, en los que ambas bandas de energía se superponen, son conductores.
Los aislantes (o insuladores), en los que la diferencia existente entre las bandas de energía, del orden
de 6 eV impide, en condiciones normales el salto de los electrones.
Los semiconductores, en los que el salto de energía es pequeño, del orden de 1 eV, por lo que
suministrando energía pueden conducir la electricidad; pero además, su conductividad puede
regularse, puesto que bastará disminuir la energía aportada para que sea menor el número de
electrones que salte a la banda de conducción; cosa que no puede hacerse con los metales, cuya
conductividad es constante, o más propiamente, poco variable con la temperatura.
Tipos de semiconductores
Semiconductores intrínsecos
Un cristal de silicio forma una estructura tetraédrica similar
a la del carbono mediante enlaces covalentes entre sus
átomos, en la figura representados en el plano por
simplicidad. Cuando el cristal se encuentra a temperatura
ambiente,
algunos
electrones
pueden,
absorbiendo la energía
necesaria, saltar a la
banda de conducción,
dejando
el
correspondiente hueco
en la banda de valencia
(1).
Las
energías
requeridas,
a
temperatura ambiente
son de 1,12 y 0,67 eV
para el silicio y el
germanio
respectivamente.
Obviamente el proceso inverso también se produce, de modo que los electrones pueden caer desde el estado
energético correspondiente a la banda de conducción, a un hueco en la banda de valencia liberando energía. A
este fenómeno, se le denomina recombinación. Sucede que, a una determinada temperatura, las velocidades
de creación de pares e-h, y de recombinación se igualan, de modo que la concentración global de electrones y
huecos permanece invariable. Siendo n la concentración de electrones (cargas negativas) y p la concentración
de huecos (cargas positivas), se cumple que:
ni = n = p
siendo ni la concentración intrínseca del semiconductor, función exclusiva de la temperatura. Si se somete el
cristal a una diferencia de tensión, se producen dos corrientes eléctricas. Por un lado la debida al movimiento
de los electrones libres de la banda de conducción, y por otro, la debida al desplazamiento de los electrones en
la banda de valencia, que tenderán a saltar a los huecos próximos (2), originando una corriente de huecos en
la dirección contraria al campo eléctrico cuya velocidad y magnitud es muy inferior a la de la banda de
conducción.
Semiconductores extrínsecos
Si a un semiconductor intrínseco, como el anterior, se le añade un pequeño porcentaje de impurezas, es decir,
elementos trivalentes o pentavalentes, el semiconductor se denomina extrínseco, y se dice que está dopado.
Evidentemente, las impurezas deberán formar parte de la estructura cristalina sustituyendo al correspondiente
átomo de silicio.
Semiconductor tipo N
Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo un cierto tipo de
átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso,
negativas).
Cuando el material dopante es añadido, éste aporta sus electrones más débilmente vinculados a los átomos
del semiconductor. Este tipo de agente dopante es también conocido como material donante ya que da algunos
de sus electrones.
El propósito del dopaje tipo n es el de producir abundancia de electrones portadores en el material. Para
ayudar a entender como se produce el dopaje tipo n considérese el caso del silicio (Si). Los átomos del silicio
tienen una valencia atómica de cuatro, por lo que se forma un enlace covalente con cada uno de los átomos de
silicio adyacentes. Si un átomo con cinco electrones de valencia, tales como los del grupo VA de la tabla
periódica (ej. fósforo (P), arsénico (As) o antimonio (Sb)), se incorpora a la red cristalina en el lugar de un
átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá cuatro enlaces covalentes y un electrón no enlazado. Este electrón
extra da como resultado la formación de "electrones libres", el número de electrones en el material supera
ampliamente el número de huecos, en ese caso los electrones son los portadores mayoritarios y los huecos
son los portadores minoritarios. A causa de que los átomos con cinco electrones de valencia tienen un electrón
extra que "dar", son llamados átomos donadores. Nótese que cada electrón libre en el semiconductor nunca
está lejos de un ion dopante positivo inmóvil, y el material dopado tipo N generalmente tiene una carga eléctrica
neta final de cero....
Semiconductor tipo P
Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo un cierto tipo de
átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso positivos
o huecos).
Cuando el material dopante es añadido, éste libera los electrones más débilmente vinculados de los átomos del
semiconductor. Este agente dopante es también conocido como material aceptor y los átomos del
semiconductor que han perdido un electrón son conocidos como huecos.
El propósito del dopaje tipo P es el de crear abundancia de huecos. En el caso del silicio, un átomo trivalente
(típicamente del grupo IIIA de la tabla periódica) de los átomos vecinos se le une completando así sus cuatro
enlaces. Así los dopantes crean los "huecos". Cada hueco está asociado con un ion cercano cargado
negativamente, por lo que el semiconductor se mantiene eléctricamente neutro en general. No obstante,
cuando cada hueco se ha desplazado por la red, un protón del átomo situado en la posición del hueco se ve
"expuesto" y en breve se ve equilibrado por un electrón. Por esta razón un hueco se comporta como una cierta
carga positiva. Cuando un número suficiente de aceptores son añadidos, los huecos superan ampliamente la
excitación térmica de los electrones. Así, los huecos son los portadores mayoritarios, mientras que los
electrones son los portadores minoritarios en los materiales tipo P. Los diamantes azules (tipo IIb), que
contienen impurezas de boro (B), son un ejemplo de un semiconductor tipo P que se produce de manera
natural.
Contaminación o dopaje
Los semiconductores en sí no presentan propiedades prácticas, por esto se los contamina para darles alguna
propiedad especial, como alterar la probabilidad de ocupación de las bandas de energía, crear centros de
recombinación, y otros.
Por ejemplo, en un cristal de silicio o de germanio, dopado con elementos pentavalentes (As, P o Sb); al tener
éstos elementos 5 electrones en la última capa, resultará que al formarse la estructura cristalina, el quinto
electrón no estará ligado en ningún enlace covalente, encontrándose, aún sin estar libre, en un nivel energético
superior a los cuatro restantes. Si consideramos el efecto de la temperatura, observaremos que ahora, además
de la formación de pares e-h, se liberarán también los electrones no enlazados, ya que la energía necesaria
para liberar el electrón excedente es del orden de la centésima parte de la correspondiente a los electrones de
los enlaces covalentes (en torno a 0,01 eV).
Así, en el semiconductor aparecerá
una mayor cantidad de electrones
que de huecos; por ello se dice que
los electrones son los portadores
mayoritarios de la energía eléctrica
y puesto que este excedente de
electrones
procede
de
las
impurezas pentavalentes, a éstas
se las llama donadoras. Aún
siendo mayor n que p, la ley de
masas se sigue cumpliendo, dado
que aunque aparentemente sólo se aumente el número de electrones libres, al hacerlo, se incrementa la
probabilidad de recombinación, lo que resulta en un disminución del número de huecos p, es decir: :n > ni = pi
> p, tal que: n·p = ni² Por lo que respecta a la conductividad del material, ésta aumenta enormemente, así, por
ejemplo, introduciendo sólo un átomo donador por cada 1000 átomos de silicio, la conductividad es 24100
veces mayor que la del silicio puro.
En cambio si se ha dopado con elementos trivalentes (Al, B, Ga o In), las impurezas aportan una vacante, por
lo que se las denomina aceptoras
(de electrones, se entiende). Ahora
bien, el espacio vacante no es un
hueco como el formado antes con el
salto de un electrón, si no que tiene
un nivel energético ligeramente
superior al de la banda de valencia
(del orden de 0,01 eV).
En este caso, los electrones saltarán
a las vacantes con facilidad dejando huecos en la banda de valencia en mayor número que electrones en la
banda de conducción, de modo que ahora son los huecos los portadores mayoritarios. Al igual que en el caso
anterior, el incremento del número de huecos se ve compensado en cierta medida por la mayor probabilidad de
recombinación, de modo que la ley de masas también se cumple en este caso:
Uniones P - N
Cuando se unen dos pastillas de
materiales semiconductores, una Tipo N y
otra Tipo P, tal como se muestra en la
Figura Siguiente, se produce un fenómeno
singular pero muy importante en la zona
en la que se ponen en contacto los dos
materiales, denominada "Unión P-N".
Cuando se forma una unión P-N, algunos
de los electrones libres del material Tipo N se difunden a través de la unión hacia el material Tipo P,
combinándose con las lagunas de este material. Estos electrones al abandonar el material N dejan huecos o
lagunas en él, de modo que si observamos en la figura: "B", se podría interpretar que los electrones se mueven
del
material
N
al
P
y
las
lagunas
del
P
al
N.
La energía térmica es la que produce esta llamada "Corriente de Difusión". Como resultado del proceso de
difusión, se produce una Diferencia de Potencial a través de la Región de Carga Espacial. Esta diferencia de
potencial puede representarse, tal como se muestra en la Fig. 10, como una batería imaginaria conectada a
través de la juntura P-N.
El símbolo de batería se utiliza simplemente para ilustrar los efectos eléctricos
internos de la juntura. Esta diferencia de potencial forma una barrera
denominada "Barrera de Energía" la cual impide que se sigan difundiendo
electrones a través de juntura. En efecto, los electrones del material Tipo N que
tienden a seguir difundiéndose a través de la juntura son repelidos por la carga
negativa inducida en el material Tipo P, mientras que las lagunas del material
Tipo P son repelidas por la carga positiva inducida en el material Tipo N. Esta
diferencia de potencial o barrera de energía impide por lo tanto una interacción
total entre los dos tipos de materiales, preservando así las diferencias en sus características.
Circulación de corriente a través de una unión P-N
Cuando se conecta una batería a una juntura P-N, la intensidad de corriente que circulará por la juntura será
dependiente del nivel de tensión aplicada y de la polaridad con que se conecte la batería a la unión.
En el circuito eléctrico representado en la
figura "A" el Terminal Positivo de la
batería externa ha sido conectado al
Semiconductor N y el Terminal Negativo
al Semiconductor P. Con esta disposición
de polarización de la unión P-N, los
electrones
libres
del
material
semiconductor Tipo N son atraídos por el
Electrodo Positivo de la batería,
alejándose de la unión. Al mismo tiempo,
las lagunas del material semiconductor
Tipo P son atraídas por el Electrodo
Negativo de la batería, alejándose
también de la juntura. Como resultado de las condiciones descriptas en el párrafo anterior, la región de carga
espacial en la juntura se ensancha y la diferencia de potencial que representa llega casi al nivel de la tensión
de la batería externa. La circulación de corriente a través de la unión es extremadamente pequeña, si se
produce. "Una unión P-N, alimentada por una fuente de Corriente Continua de esta manera, se dice que está
Polarizada Inversamente".
En el circuito eléctrico representado en la figura "B", se han invertido las conexiones de la batería externa,
estando ahora su Electrodo Positivo conectado al semiconductor Tipo P y su Electrodo Negativo al
semiconductor Tipo N. Con esta disposición de polarización de la unión P-N, los electrones del material Tipo P
cercanos al Electrodo Positivo de la batería rompen sus ligaduras covalentes y entran a la batería, creando en
el material nuevas lagunas.
Al mismo tiempo los electrones libres del material Tipo N son repelidos por el Electrodo Negativo de la batería
moviéndose hacia la juntura, al desplazarse van creando nuevos espacios o lagunas que son ocupados por
nuevos electrones que ingresan al material
desde el Electrodo Negativo de la batería.
Toda esta acción da como resultado un
estrechamiento de la carga espacial de
modo que los electrones comienzan a
difundirse rápidamente a través de la
juntura dirigiéndose hacia el electrodo
positivo de la batería, al combinarse con las
lagunas del material P. Esta circulación
electrónica
continuará
mientras
se
mantenga conectada la fuente de
alimentación externa. "Una unión P-N
alimentada por una batería externa tal
como se muestra en la figura "B", se dice
que está Polarizada Directamente".
la
misma,
observe
que
se
han
contemplado
los
En esta figura se ha representado una
curva generalizada para una Juntura P-N
de la tensión de polarización de la juntura
Vs. la intensidad de corriente circulante por
casos de polarización directa e inversa.
En la región de polarización directa (cuadrante superior derecho), se puede ver que la intensidad de corriente
circulante por la juntura, aumenta inicialmente lentamente a medida que aumenta la tensión aplicada a la
juntura, es decir, partiendo desde tensión cero y prácticamente hasta llegar a los 500 mV a 600 mV, cada
variación de 100 mV producen un aumento en la intensidad de corriente de unos pocos mA, cruzando el umbral
de la Barrera de Energía o de Potencial que impone la juntura (alrededor de 600mV), la intensidad de corriente
aumenta rápidamente de modo que para variaciones de la tensión de polarización de unos pocos mV la
intensidad de corriente aumenta en forma importante.
En la región de polarización inversa (cuadrante inferior izquierdo), observe que para variaciones de varios volts
de la tensión aplicada la intensidad de corriente sufre escasas variaciones y está dentro del orden de los
microAmpar (mA). El nivel de dicha tensión podrá ser siendo aumentada (dependiendo del diodo utilizado)
hasta un cierto nivel, después del cual se producirá un efecto de avalancha en la unión que producirá un brusco
aumento de la intensidad de corriente inversa que si no es limitada producirá la destrucción instantánea de la
unión. Dicho nivel de tensión es denominado Tensión de Ruptura por avalancha.
2.2. Diodos
Los diodos son dispositivos semiconductores de estado
sólido, generalmente fabricados con silicio, al que se le
agregan impurezas para lograr sus características.
Poseen dos terminales, llamados ánodo y cátodo.
Básicamente un diodo se utiliza para rectificar la corriente
eléctrica. Su característica principal es que permite la
circulación de corriente en un solo sentido. Por su
construcción, el diodo de silicio posee en polarización
directa (circulación de corriente de ánodo hacia cátodo)
una caída de tensión del orden de los 0,6 a 0,7 voltios, y en
inversa (bloqueo) tiene una corriente de fuga prácticamente
despreciable.
Hay diodos de uso especial, como los Zener, los Schottky,
de Señal, etc. Vamos a describirlos a continuación.
Tipos de diodos:
Diodos de uso general: Estos se utilizan principalmente como rectificadores, o como protección en aparatos a
baterías, previniendo su deterioro al conectarlos con polaridad inversa a la utilizada. Generalmente no se los
utiliza en alterna para frecuencias superiores a los 100 ciclos (100 Hertz).
Este problema se llama "tiempo de recuperación", y es el tiempo que tarda el diodo en absorber el cambio de
polaridad para bloquear la circulación de corriente. Si se hace trabajar un diodo a una frecuencia más alta que
la estimada por el fabricante, el diodo comenzará a recalentarse hasta producirse un embalamiento térmico,
con la consecuente quema del mismo.
Diodos Zener: Estos diodos en directa se comportan como un diodo común, pero en inversa poseen lo que se
denomina "tensión de Zener". Llegando a una determinada tensión inversa, el diodo comienza a conducir, y si
se sigue aumentando la tensión, el Zener la mantendrá a un valor constante, que es su tensión de inversa.
Pasando un límite, el diodo se destruye.
Diodos Schottky: Estos diodos están diseñados para cumplir la misma función que los de uso general, pero a
altas frecuencias. Se utilizan, por ejemplo, en fuentes de alimentación de computadoras, donde la frecuencia
de la corriente alterna puede llegar a los 100KHz (100000 ciclos por segundo).
Diodos de Señal: Son diodos para utilizar en alta frecuencia, pero generalmente de poca potencia.
Diodos LED: Son un tipo de diodos denominados "Diodo Emisor de Luz" (LED por sus siglas en Ingles). Tiene
la propiedad de emitir luz cuando se le aplica una corriente en directa. Existen de muchos tipos, colores, e
incluso destellantes y de varios colores.
Diodos de potencia: Son diodos de encapsulado metálico, generalmente
de grandes dimensiones. Se utilizan, por ejemplo, en cargadores de
baterías y alternadores de automotores.
Circuitos de ejemplo:
a) Rectificador de media onda: En este circuito, el diodo conduce durante
la mitad del ciclo de corriente alterna. De este modo, solamente
un semiciclo pasa al otro lado del circuito.
b) Rectificador de onda completa: En este circuito los diodos
están configurados en puente, para hacer que ambos semiciclos
de la corriente alterna pasen al positivo del circuito.
c) Regulador de tensión con diodo Zener: En este circuito, el
diodo zener forma un regulador de tensión, que protege al
circuito de las variaciones de tensión provenientes de la fuente
de alimentación.
d) Recortador de señal: En este circuito, un par de diodos en
una salida de preamplificador produce un recorte simétrico de
la señal de audio.
Diodo Zener
Un diodo Zener, es un diodo de silicio que se ha construido
para que funcione en las zonas de rupturas. Llamados a veces
diodos de avalancha o de ruptura, el diodo zener es la parte esencial de los reguladores de tensión casi
constantes con independencia de que se presenten grandes variaciones de la tensión de red, de la resistencia
de carga y temperatura.
Efecto zener
El efecto zener se basa en la aplicación de tensiones inversas que originan, debido a la característica
constitución de los mismos, fuertes campos eléctricos que causan la rotura de los enlaces entre los átomos
dejando así electrones libres capaces de
establecer la conducción. Su característica es tal
que una vez alcanzado el valor de su tensión
inversa nominal y superando la corriente a su
través un determinado valor mínimo, la
tensión en bornas del diodo se mantiene
constante e independiente de la corriente que
circula por él.
Voltaje zener: el diodo está polarizado en forma
inversa, obsérvese que la corriente tiene un valor
casi nulo mientras que el voltaje se incrementa
rápidamente, en este ejemplo fue con 17 voltios.
Resistencia Zener Un diodo zener, como
cualquier diodo, tiene cierta resistencia interna en sus zonas P y N; al circular una corriente a través de éste se
produce una pequeña caída de tensión de ruptura.
En otras palabras: si un diodo zener está funcionando en la zona zener, un aumento en la corriente producirá
un ligero aumento en la tensión. El incremento es muy pequeño, generalmente de una décima de voltio.
Los diodos Zener mantienen la tensión entre sus terminales prácticamente constante en un amplio rango de
intensidad y temperatura, cuando están polarizados inversamente, por ello, este tipo de diodos se emplean en
circuitos estabilizadores o reguladores de la tensión tal y como el mostrado en la figura.
Eligiendo la resistencia R y las características del diodo, se puede lograr que la tensión en la carga (R L)
permanezca prácticamente constante dentro del rango de variación de la tensión de entrada VS.
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:
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).
1.
2.
3.
4.
5.
6.
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:
Diodo PIN
Se llama diodo PIN a una estructura de tres capas, siendo la intermedia semiconductor intrínseco, y las
externas, una de tipo P y la otra tipo N (estructura P-I-N que da nombre al diodo). Sin embargo, en la práctica,
la capa intrínseca se sustituye bien por una capa tipo P de alta resistividad (π) o bien por una capa n de alta
resistividad (ν).
El diodo PIN puede ejercer, entre otras cosas, como:




conmutador de RF
resistencia variable
protector de sobretensiones
fotodetector
Fotodiodo PIN
El fotodiodo PIN es uno de los fotodetectores más comunes, debido a que la capa intrínseca se puede
modificar para optimizar su eficiencia cuántica y margen de frecuencia.
El diodo PIN se puede utilizar como conmutador de microondas. Tiene capacidad para manejar alta potencia.
Diodo túnel
El Diodo túnel es un diodo semiconductor que tiene una unión pn, en la cual se produce el efecto túnel que da
origen a una conductancia diferencial negativa en un cierto intervalo de la característica corriente-tensión.
La presencia del tramo de resistencia negativa permite su utilización como componente
activo (amplificador/oscilador).
También se conocen como diodos Esaki, en honor del hombre que descubrió que una fuerte
contaminación con impurezas podía causar un efecto de tunelización de los portadores de
carga a lo largo de la zona de agotamiento en la unión. Una característica importante del
diodo túnel es su resistencia negativa en un determinado intervalo de voltajes de polarización
directa. Cuando la resistencia es negativa, la corriente disminuye al aumentar el voltaje. En consecuencia, el
diodo túnel puede funcionar como amplificador, como oscilador o como biestable. Esencialmente, este diodo es
un dispositivo de baja potencia para aplicaciones que involucran microondas y que están relativamente libres
de los efectos de la radiación.
Diodo Schottky
El diodo Schottky o diodo de barrera Schottky, llamado así en honor del físico alemán Walter H.
Schottky, es un dispositivo semiconductor que proporciona conmutaciones muy rápidas entre los
estados de conducción directa e inversa (menos de 1ns en dipositivos pequeños de 5 mm de
diámetro) y muy bajas tensiones umbral (también conocidas como tensiones de codo, aunque en inglés se
refieren a ella como "knee", o sea, de rodilla). La tensión de codo es la diferencia de potencial mínima
necesaria para que el diodo actúe como conductor en lugar de circuito abierto; esto, claro, dejando de lado la
región Zener, que es cuando más bien existe una diferencia de potencial lo suficientemente negativa para que a pesar de estar polarizado en contra del flujo de corriente- éste opere de igual forma como lo haría
regularmente.
Funcionamiento
A frecuencias bajas un diodo normal puede conmutar fácilmente cuando la polarización cambia de directa a
inversa, pero a medida que aumenta la frecuencia el tiempo de conmutación puede llegar a ser muy alto,
poniendo en peligro el dispositivo.
El diodo Schottky está constituido por una unión metal-semiconductor (barrera Schottky), en lugar de la unión
convencional semiconductor P - semiconductor N utilizada por los diodos normales.
Así se dice que el diodo Schottky es un dispositivo semiconductor "portador mayoritario". Esto significa que, si
el cuerpo semiconductor está dopado con impurezas tipo N, solamente los portadores tipo N (electrones
móviles) jugaran un papel significativo en la operación del diodo y no se realizará la recombinación aleatoria y
lenta de portadores tipo N y P que tiene lugar en los diodos rectificadores normales, con lo que la operación del
dispositivo será mucho más rápida.
Características
La alta velocidad de conmutación permite rectificar señales de muy altas frecuencias y eliminar excesos de
corriente en circuitos de alta intensidad.
A diferencia de los diodos convencionales de silicio, que tienen una tensión umbral —valor de la tensión en
directa a partir de la cual el diodo conduce— de 0,7 V, los diodos Schottky tienen una tensión umbral de
aproximadamente 0,2 V a 0,4 V empleándose, por ejemplo, como protección de descarga de células solares
con baterías de plomo ácido.
La limitación más evidente del diodo de Schottky es la dificultad de conseguir resistencias inversas
relativamente elevadas cuando se trabaja con altos voltajes inversos pero el diodo Schottky encuentra una gran
variedad de aplicaciones en circuitos de alta velocidad para computadoras donde se
necesiten grandes velocidades de conmutación y mediante su poca caída de voltaje en
directo permite poco gasto de energía, otra utilización del diodo Schottky es en
variadores de alta gama para que la corriente que vuelve desde el motor al variador no
pase por el transistor del freno y este no pierda sus facultades.
2.3. Transistores
El transistor es un dispositivo semiconductor cuya principal función consiste en
amplificar señales; o sea, es capaz de entregar en su salida la misma señal de entrada
pero con mayor amplitud o potencia, fenómeno que puede ser aprovechado en
múltiples aplicaciones electrónicas. Como tal, el transistor se basa en los mismos
principios de operación de los elementos semiconductores; es decir, se fundamenta en el peculiar
comportamiento manifestado por la unión de dos materiales semiconductores tipo P y N, respectivamente, y en
el efecto de avalancha aplicado en la construcción de un diodo
zener.
El transistor es un elemento de tres terminales, que tiene la
propiedad de variar la corriente que circula a través de el mediante
una polarización muy pequeña. Es decir, se pueden manejar
grandes corrientes mediante la inyección apropiada de una
corriente de control muy pequeña. Este es el principio por el cual
los transistores son muy utilizados como elementos amplificadores
de potencia.
El transistor bipolar de juntura
En la figura 2 se muestra el diagrama simplificado de la
construcción de un transistor típico. Observe que no son más que
tres capas de material semiconductor: dos de material tipo N (una
más gruesa que otra) y una muy delgada de material tipo P. Esta
configuración tan especial resulta indispensable para el
funcionamiento del dispositivo, según explicaremos a
continuación. La operación del transistor se basa en los fenómenos de la conducción de unión PN cuando es
polarizada en directa, y en el principio de avalancha aprovechado en los diodos zener. Supongamos que a un
transistor típico se le conectan sendas fuentes de voltaje como las que se muestran en la figura 3; advierta que
se ha colocado un voltaje positivo entre la capa P intermedia y la capa N inferior, así como otra fuente de
voltaje positivo entre la capa N superior y la capa N inferior.
Si pudiera observarse el interior del dispositivo para analizar el comportamiento de los electrones y de las
cargas positivas, veríamos que, debido al voltaje positivo entre la capa P intermedia y la N inferior, en esta
unión se produce un flujo de corriente (podemos ver esta unión PN como un diodo conectado a una fuente en
directa); mas a causa de que el voltaje aplicado a dicha unión es muy pequeño, la corriente que circula también
es reducida; sin embargo, esta tensión es suficiente para excitar a
los electrones de la capa N superior; y dado que entre ambas
capas N efectivamente existe un voltaje relativamente alto, se
produce el efecto de avalancha, el cual a su vez es "controlado"
por la corriente que circula en la capa P intermedia. En otras
palabras, cuando se alimenta a un transistor en la forma indicada
en la figura 3, entre sus terminales N superior e inferior circula una
corriente que, en una proporción que depende de la construcción
interna del dispositivo, resulta de mayor magnitud que la que
circula por la capa P intermedia. A esta ganancia de corriente se le
han dado las siglas de Hfe o B (beta). Como puede apreciar, el
transistor es un dispositivo de tres terminales, las cuales reciben el
nombre de "colector" (capa N superior), "base" (capa P intermedia)
y "emisor" (capa N inferior). Su símbolo y encapsulados más
comunes se muestran en la figura 4. ¿Para qué sirve un
dispositivo con estas características? La respuesta es muy fácil: un
transistor puede servir como amplificador simple, fuente de
corriente constante o interruptor sencillo.