Introducción a los semiconductores by nosomi

[DARKICE]

Introducción a los semiconductores by nosomi


Dirigido a l@s interesad@s en la electrónica novat@s, como yo.

Semiconductores

Los componentes semiconductores se conocen como de estado sólido, por ser precisamente sólidos a diferencia de sus padres las bombillas o bulbos, que se cree que son dispositivos pasados a la historia y sin uso alguno, sin embargo para que me entendáis se siguen utilizando, unos ejemplos de ello son el cinescopio de nuestros televisores, en equipos de alta fidelidad y en trasmisoras debido a sus muy particulares características.

Como su nombre lo indica semiconductor es un material que permite cierto paso de la corriente eléctrica, por lo que es una parte intermedia entre un buen conductor (Cobre) y un dieléctrico (Porcelana).

Los materiales utilizados para crear los dispositivos son básicamente el Germanio y el Silicio. (Que fueron elegidos por su estructura atómica que es monocrisálida).

Estos materiales son altamente purificados (y en ese estado son prácticamente no conductores, se ha logrado un nivel de pureza de 1 parte en 10 billones y no se sabe si en realidad este nivel de pureza es necesario, sólo como nota). Y después son impurificados en forma controlada para que puedan conducir cierta cantidad de corriente.

Materiales tipo p y tipo n

Estos son los materiales que se utilizan para impurificar al material semiconductor.

El material tipo n se crea añadiendo elementos que tienen 5 electrones de valencia (antimonio, arsénico y fósforo) con lo que tenemos un material con electrones libres que están ansiosos de moverse a otro lado porque no tienen que hacer jijijiji.

El material tipo p se crea agregando elementos con 3 electrones de valencia (Boro, galio e indio) a nivel estructura los tres átomos son suficientes para hacer un enlace covalente, es decir formar una estructura estable pero que sin embargo le faltan electrones para estar completa, por lo que aceptara un electrón libre rápidamente.

Componentes Semiconductores

Diodo

El primer dispositivo electrónico que se presentara es el diodo, es él más sencillo, pero es vital en la electrónica.

Como su nombre lo indica está compuesto de dos materiales extrínsecos p y n aunque tenga una sola base, Germanio o silicio. A esos materiales les debemos la polaridad de los diodos ya que a aplicando energía a los electrones libres hará que sean capaces de saltar al material tipo p. Esta energía es la corriente eléctrica. Aplicando más electrones a donde hay electrones libres empujaremos a estos a donde no hay y por lo tanto fluirá la corriente eléctrica, sin embargo si lo hacemos en forma inversa aplicando electrones a donde no hay llenaremos rápidamente su deficiencia de electrones pero no fluirá corriente debido a que el material tipo n no tendrá a donde vayan sus electrones libres y se creara una posición muy fuerte.

Diodo ideal: Es un componente inexistente que al ser polarizado correctamente se comportará como un alambre es decir conducirá (Resistencia zero). Sin embargo al ser polarizado inversamente se comportara como un circuito abierto, no conducirá (Resistencia infinita). Pero que nos ayuda a comprender al diodo.

El equivalente eléctrico del diodo real es un diodo ideal + una residencia + una fuente de voltaje opuesta a la dolarización directa. Esto es debido a que al hacer la unión p y n se crea una región de contacto donde los primeros electrones libres del material n ya ocuparon los espacios del material p e impiden que los otros electrones hagan lo propio. Esas “fuentes” tienen diferente potencial para los materiales base:

Silicio = 0.7 V Germanio = 0.3 volts

A diferencia de los diodos ideales los diodos sí conducen corriente al ser polarizados inversamente esta característica también es aprovechada en los denominados Zener. Aquí introducimos la figura de voltaje de polarización inversa VPI.

Bien haciendo un comparativo de Germano contra silicio tenemos que el Silicio tiene valores nominales más altos de VPI y corriente a intervalos de temperatura mas altos que el Germanio y su desventaja es el voltaje de rompimiento directo más alto que se menciona arriba y más bajo en la región zener o de polarización inversa.

Polarización: El diodo en polarización directa es aplicarle al ánodo (p) el positivo y al cátodo el negativo (n), inversa pues al revés hehehehe.

Modo de identificarlos: símbolo una flecha que topa con una línea, el ánodo es donde inicia la flecha, el cátodo es la línea, en los componentes físicos una línea te indica el cátodo o negativo.

Modo de prueba de diodos: con el polímetros si no cuenta con el indicador de diodos probarlo con resistencia en polarización directa te dará una lectura muy baja y en inversa infinito, muuuuy alta.

¿Cres que el diodo es aburrido?. ¿Solo existe un diodo? veamos:

Diodo común o rectificador: Con el puedes crear compuertas AND / OR, conversores de CA a CD (Rectificadores), recortadores de señales, Sujetadores.

Diodo Zener: Su aplicación más común es establecer un voltaje de referencia fijo con propósitos de polarización y comparación, con lo que te pueden regular la CA (Alguien me llamara Warra jiji verdad Marcansoft).

Diodo de barrera Schottky:(De barrera superficial o de portadores de alta energía) Se aplica en donde tenemos frecuencias muuuy altas debido a su corto tiempo de respuesta y a ser menos inmune al ruido, también se utiliza en fuentes de poder de bajo voltaje y alta corriente y convertidores de CA a CD. Se utiliza en sistemas de radar, en la lógica TTL, etc.

Diodos varactores: (Varicap (Diodo con capacitancia – voltaje variable) o sintonizadores) Sus aplicaciones son en moduladores de FM, dispositivos de control automático de frecuencia, filtros pasabanda ajustables y unos amplificadores llamados parametritos.

Diodos de potencia: Se utilizan donde se necesita potencia jejejeje y temperatura

Diodos túnel: Este diodo introduce una región de resistencia negativa a la polarización directa, con lo que el paso hace esto: al inicio se incrementa llegado al un punto (llamado región negativa) disminuye hasta un punto donde vuelve a subir claro esto es en medida de aplicarle potencial ojo directo siempre. Pero la utilización es la rápida respuesta ya que la conducción la realiza a bajo voltaje superando la de los diodos convencionales, por lo que es un diodo de alta velocidad y se aplica en donde se requiere una rápida conmutación del orden de nano segundos o picosegundos eh.

Fotodiodos: Es un dispositivo que trabaja básicamente en polarización inversa, su número de electrones libres es proporcional a la luz, por lo que de eso dependerá que conduzca o no.

Diodos emisores de luz (LEDS): Como su nombre lo indica producirá luz cuando este energizado.


Transistores

El 23 de Diciembre de 1947, Walter H Brattain & John Bardeen demostraron el efecto amplificador del primer transistor en Los laboratorios Bell, siendo este un transistor de punto de contacto.

El transistor esta construido de tres capas, ya sea de material p,n y p ó n,p y n de ahí como reciben su nombre Transistor pnp ó bien transistor npn. (Si hacemos una analogía con los diodos veremos que prácticamente son dos diodos encontrados con ánodo o cátodo común)

Esas capas reciben el nombre de Emisor, base y colector, siendo siempre Emisor y Colector del mismo material.

Identificación de las terminales:

Siempre que es posible los fabricantes indican las mismas con las letras ECB (emisor, colector o base), sin embargo si es dudoso siempre se puede recurrir al polímetro y medir la resistencia entre terminales:

Primero encontrar la resistencia infinita entre dos terminales en cualquier polarización del polímetro, es decir pata (terminal) a + y pata b - = infinito = pata b – y pata a + = Emisor y Colector y la que resta es la base, pero cual es el emisor y cual es la base, bueno como sabemos que es básicamente dos diodos, ahora medimos de base a las otras patas y la que de mayor resistencia es el colector, en forma directa claro en forma inversa nos dará infinito y que les parece hemos encontrado una forma de probar los transistores eh.

Existen tres regiones de operación del transistor que son de saturación, activa y de corte, siendo las mas utilizadas la región activa y la de corte, la activa para amplificación y la de corte para conmutación, es decir que el transistor actué como un interruptor, siendo la de saturación el intermedio entre las otras dos.

Aquí nos referiremos también a polarización directa e inversa, por lo que se debe recordar lo ya explicado de los materiales p y n, dicha polarización esta en función del material mencionado.

Configuraciones:

Según el modo de empleo estos se conectaran en diferentes configuraciones, siendo:

Base Común, Emisor común y Colector común

Por común debemos entender que es la terminal o capa que se conectara a la masa, (gnd, tierra, como la conozcáis), o a un voltaje de referencia. O simplemente porque esa terminal será común a las terminales de entrada o de salida.

Base Común: Esta configuración se emplea básicamente para propósitos de amplificación de señales, donde los valores típicos de amplificación varían de 50 a 300, los valores de corriente de salida, “amplificación”, o mejor dicho es una reducción siempre son menores a 1 (No quiere decir que tendremos corrientes de 1 A, sino que la corriente de colector base será menor a la corriente de Emisor base ejemplo IEB = 7 puede originar una corriente ICB = 6.9, debido a que es Ic/IE, siendo la entrada de señal el Emisor y el Colector la salida, independientemente del flujo de corriente, ya que la salida para nosotros será VC (colector). Tomar en cuenta que el Emisor se polariza directamente y el colector en forma inversa, recordar que se esta hablando de pnp y de npn.

Emisor Común: Lo mismo de arriba pero ahora le toca al emisor ser el común a las terminales de entrada y de salida, siendo la base la entrada y el colector la salida. Esta configuración puede utilizarse para amplificación de voltaje, corriente o potencia, además de poder actuar como interruptores.

No se puede decir que una configuración es mejor que la otra, depende del uso que se le quiera dar, aprovechando sus particulares características, en esta configuración por una corriente pequeña de entrada obtendremos una corriente enorme de salida ejemplo para 10uA de entrada obtendremos 1 mA de salida y no tenemos la estabilidad de la configuración Base común donde las corrientes son muy similares.

La acción básica de amplificación se produjo transfiriendo la corriente de un circuito de baja impedancia (resistencia) a uno de alta resistencia ( De ahí el nombre; transferencia + resistor = transistor, jijiji).

Colector Común: Lo mismo que sus predecesoras en cuanto a la terminal común, el colector, esta configuración se emplea principalmente para acoplamiento de impedancias (resistencias), ya que cuenta con una alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida, que es totalmente opuesto a las otras dos configuraciones.


Los transistores se emplean en una amplia variedad de aplicaciones y de diversas maneras, es imposible aprender cada área de aplicación, por lo que en su lugar debemos conocer la operación básica del mismo.

Para utilizarlo como amplificador de voltaje o corriente o como elemento de control en conmutación (Interruptor, encendido o apagado), se requiere primero polarizarlo debidamente para que opere en la región que deseamos y bajo sus propias características dadas por el fabricante y en que funciona con mayor linealidad o estabilidad y debemos tomar en cuenta que los componentes de polarización forman parte del circuito total de aplicación, ya sea amplificador, circuito lógico, oscilador, etc.

Por lo tanto la finalidad es alcanzar el punto de operación que nos dan las condiciones de voltaje y corriente deseadas, según características de fabrica. Y como se menciona arriba para ponerlo a trabajar se polariza, pero hay diversas formas de polarizarlo, además de la configuración, mencionare solo algunas:

Fija, directa base emisor, inversa base emisor, bucle base emisor, bucle colector emisor, etc. Las cuales no explicare pues están fuera de los alcances de este documento.

El transistor común es el conocido como BJT (transistor de unión bipolar, siglas en ingles) sin embargo existen otros:

FET: Transistores de efecto de campo (transistor de efecto de campo), que es un dispositivo controlado por voltaje, de canal n o de canal p según el material base, es de tres terminales, su operación es similar al BJT pero sin embargo el material base se llama canal porque en el están colocadas dos terminales y haciendo analogía con el BJT lo que serian el emisor y el colector son una misma terminal llamada compuerta G, y las otras dos terminales son Fuente S y Drenaje D. Pueden construirse como un FET de unión (JFET) o como FET metal oxido semiconductor (MOSFET), estos últimos también pueden ser conocidos como nMOS o pMOS a diferencia del FET no cuenta con canal, el principio es básicamente el mismo y lo que seria el canal se llama sustrato pero la operación es distinta y que se les conoce como acrecentamiento o vaciamiento y se crea un canal inducido.

Comparándolo contra el BJT tenemos:

1.- FET resistencia de entrada extremadamente alta con un valor típico de 100Mohms contra una de 2 Koms del BJT
2.- FET no tiene voltaje de unión cuando se utiliza como interruptor
3.- FET es hasta cierto punto inmune a la radiación, contra el BJT que es sumamente sensible.
4.- FET es menos ruidoso que el BJT y por lo tanto mas apropiado para etapas de entrada de amplificadores de bajo nivel.
5.- FET proporciona una mayor estabilidad térmica
6.- FET es mas pequeño .

Sus desventajas es que es muy sensible a dañarse cuando se esta manipulando una carga estática y a comprar uno nuevo jiji, otra es su ganancia de ancho de banda mas reducida.

Los efectos son muy parecidos pero cada cual tiene sus características muy especiales.

CMOS: Es un dispositivo complementario, que se utiliza en gran medida en circuitos digitales, prácticamente se compone de un nMOS y un PMOS (En su operación proporciona a la salida 0 ó 5 volts, cero y uno para efectos de lógica binaria eh).

Igual que el BJT hay diferentes formas de polarizarlo que no explicare aquí pues sólo una introducción.

Transistor Monounion: El UJT es un dispositivo de tres terminales que tiene una construcción similar al diodo pn, por lo que originalmente se le llamo diodo dúo, consta de dos terminales en una base de material tipo n unido a material p y se une a una barra de aluminio, la barra de aluminio es el emisor y las otras dos terminales Base 1 y base 2, es un dispositivo de bajo consumo de potencia, y tiene aplicación en osciladores, circuitos de disparo, control de fase, generadores diente de sierra, etc. Lo mismo que los anteriores también opera en las tres regiones sin embargo tiene sus características particulares que lo diferencia de los demás, una región de resistencia negativa, esto es cuando alcanza cierto nivel de Voltaje de emisor este baja al aplicar mas corriente de emisor.

Fototransistor: Es similar al fotodiodo, este dispositivo tiene una unión pn de colector a base fotosensible, la corriente inducida por efectos fotoeléctricos es la corriente de base del transistor, sus características son muy similares a las del BJT, su mayor paliación esta en los dispositivos aisladores.


Dispositivos pnpn

Estos son dispositivos de cuatro capas de material tipo pnpn y tenemos:

Rectificador controlado de silicio SCR: Este dispositivo es muy interesante, y básicamente pueden hacer una analogía con nuestro amigo el diodo rectificador, pero en este no basta polarizar directamente para que trabaje, ya que cuenta con una tercera terminal llamada compuerta G, además de su ánodo y cátodo, jaja pero he dicho que es similar al diodo, pero su estructura y circuito equivalente es similar a dos transistores pnp + npn conectados colector a base ambos.
El diodo del SCR conducirá cuando se aplica una señal de disparo en G, pero no dejara de conducir, aunque quitemos esa señal de disparo, el único método es interrumpir la corriente de conducción entre ánodo y cátodo. Pero hay que tomar en cuenta que el SCR también puede dispararse elevando el potencial entre ánodo y cátodo o un aumento de su temperatura significativo.
Su área de aplicación es controles, circuitos de retrazo de tiempo, fuentes de poder reguladas, interruptores estáticos, inversores, muestreadores, circuitos de protección, etc, etc.
Su símbolo es igual al del diodo pero con una terminal mas la G.

Diodo SHOCKLEY: Si este diodo es de cuatro capas con solo dos terminales, es similar al SCR, solo que sin compuerta y su estado normal es abierto, es decir en no conducción y solo conducirá hasta que elevemos el voltaje aplicado en sus terminales a un valor predeterminado de fabrica. Su símbolo es similar a el diodo pero la flecha esta cortada a la mitad y no tiene la línea..

DIAC: Es básicamente una combinación inversa en paralelo de capas pn en paralelo de dos terminales por lo que hay un voltaje de ruptura en cualquier dirección, es decir que al aumentar el potencial en cualquiera de los dos sentidos el dispositivo conducirá , su empleo esta mas bien enfocado a CA (Corriente alterna) (Nota este dispositivo es de 5 capas npnpn).

TRIAC: Es fundamentalmente un diac con una terminal de compuerta para controlar su disparo, con lo que conducirá en cualquier dirección, Es decir que la corriente de la compuerta puede controlar la acción del dispositivo en cualquier dirección de manera similar a la que se explica para el SCR.


Otros dispositivos

Optoaisadores: Este dispositivo se compone de un LED infrarrojo y un fototransistor empaquetados en un solo componente y separados por una capa transparente, su funcion básica es aislar circuitos que de otro modo podrían causar ruidos a la salida, se diseñan con tiempos de respuesta tan pequeños que se pueden transmitir datos en el rango de mega hertz.

Transistor monounion programable: Y este que hace aquí se preguntaran, bueno aunque el nombre es transistor monounion su construcción es de 4 capas y el modo de operación es diferente a la transistor monounión , es un dispositivo de tres terminales, ánodo cátodo y compuerta y es parecido al SCR pero actúa como un UJT y SCR porque no puede estar en estado inestable simplemente se desplaza de a los estados estable conducción o corte.

Circuitos integrados: Como su nombre lo indica es un circuito electrónico completo de reducido tamaño empaquetado en un solo componente con varias terminales, para daros una idea un CI de un microprocesador pequeño puede contener 68000 transistores en un tamaño de 230x260 mils o ¼ x ¼ de pulgada. Lo bello y lo malo de estos circuitos es que no se reparan, una vez dañado uno de sus componentes es necesario remplazar todo CHIP.

CI Lineales: Que son básicamente los Amplificadores Operacionales y Reguladores(incluyendo Filtros y fuentes de poder).

CI Linéales/ digitales: Estos contienen tanto circuitos lineales como digitales. Estos incluyen circuitos comparadores, convertidores digitales a analógicos, circuitos de interfaz, temporizadores entre los mas conocidos.

Con esto tenemos CI desde amplificadores operacionales hasta Microprocesadores.



Una disculpa por la falta de imágenes por lo menos de los símbolos de los dispositivos.

Bueno con esto termina esta introducción, espero que sea de utilidad, no tiene grandes pretensiones, mas que daros una pequeña visión del amplio campo de la electrónica. Véanlo como una pequeñísima aportación de mi parte en agradecimiento a toda la comunidad de PS2Reality, que tanto quiero y me han viciado.
_________________

Welcome to the third place...