Electrónica

Ingeniería. Estructura atómica de los semiconductores. Diodos. Trasistores. Amplificadores. Osciladores

  • Enviado por: Nigthman
  • Idioma: castellano
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ESTRUCTURA ATÓMICA DE LOS SEMICONDUCTORES:

 
Las propiedades eléctricas de un material semiconductor vienen determinadas por su estructura atómica. En un cristal puro de germanio o de silicio, los átomos están unidos entre sí en disposición periódica, formando una rejilla cúbica tipo diamante perfectamente regular. Cada átomo del cristal tiene cuatro electrones de valencia, cada uno de los cuales interactúa con el electrón del átomo vecino formando un enlace covalente. Al no tener los electrones libertad de movimiento, a bajas temperaturas y en estado cristalino puro, el material actúa como un aislante.

SEMICONDUCTORES: Los electrones de valencia de los átomos de un semiconductor(tal como el silicio o el germanio) no pueden, en su mayor parte, moverse libremente por el interior del semiconductor. En vez de ello, participan en los enlaces covalentes que mantienen unidos a los átomos del semiconductor constituyendo una distribución cristalina periodica. Cada átomo e cristal tiene 4 vecinos más próximos con los q comparte sus electrones de valencia.

Teoría de los Semiconductores

Numerosos elementos, en especial el Si y el Ge del grupo 4A, o grupo 14, tienen propiedades intermedias entre las de los metales y las de los no metales y, por ello se denominan elementos semiconductores. La brecha energética entre las bandas llenas y las vacías en estos sólidos es mucho menor que en el caso de los aislantes (véase la figura 1), si se suministra la energía necesaria para excitar electrones de la banda de valencia a la de conducción, el sólido se convierte en un conductor. Nótese que este comportamiento es opuesto al de los metales. La capacidad de un metal para conducir la electricidad disminuye al aumentar la temperatura, ya que se acentúa la vibración de los átomos a mayores temperaturas y esto tiende a romper el flujo de electrones.
 
  Dentro de los sólidos semiconductores están el germanio y el silicio. Tanto uno como el otro tienen cuatro electrones en la órbita externa, la que por su distancia al núcleo correspondería que tuviese ocho electrones para lograr una configuración estable. Admitiremos como principio que entre varios estados posibles los sistemas de la naturaleza tienden a tomar el de mayor estabilidad, es por esto que tanto el Ge como el Si cuando se solidifican toman una estructura cristalina tal que cada átomo tiene a otros cuatro a su alrededor compartiendo con ellos un electrón en coparticipación ignorando la estabilidad de ocho electrones que necesita en su última capa.

En consecuencia cerca del cero absoluto el germanio tiene todos sus electrones con baja energía dentro de las bandas de valencia y se transforma en un aislador absoluto. En cambio a temperatura ambiente alguno de los electrones toma la energía necesaria para pasar a la banda de conducción y el germanio se comporta como un semiconductor. El electrón que se independiza de la atracción del núcleo se convierte en electrón libre y origina en la covalencia que se destruye, la ausencia de una carga negativa o pozo positivo, que se denomina, laguna o agujero. Se admite que esta laguna o agujero se va corriendo sucesivamente a través del sólido, pues puede ser llenada por electrones de covalencias vecinas originando en ellas el nuevo hueco

Cuando unimos un cristal P con un cristal N, estamos creado un elemento de enorme importancia en la electrónica: el Diodo

Funciones de los Diodos

A primera vista parece que el diodo solamente podría tener la misión de ser un rectificador de corriente, del modo que se usa en el alternador. Pero los diodos sirven para más cosas

A. Como rectificadores: Este es el empleo más corriente y al que ya hemos explicado.

B. Como protector: Un circuito en donde convenga que la corriente circule solamente en un sentido determinado, y nunca en sentido contrario, puede ser protegido por la presencia de un diodo. 'Electrónica'
En la imagen vemos un ejemplo en donde se ha colocado un diodo entre un generador de corriente continua y la batería. El diodo no deja pasar la corriente de la batería al generador aún cuado si lo hace desde el generador a la batería de modo que hace las veces de un disyuntor sin contactos móviles ni degaste.

C. Descarga: Puesto en derivación en un circuito dotado de una fuente de autoinducción, tal como se representa en la imagen, un diodo impide el paso de alguna corriente cuando el circuito está alimentado por una corriente exterior; pero permite el paso de una extracorriente de ruptura cuando el interruptor se abre.

D. Otras variantes: Además existen variedad de diodos con características especiales. Así, los hay de disparo, que dejan pasar la corriente cuando se alcanza un determinado valor; los hay luminiscentes, termosensibles, etc. que efectúan trabajos de regulación y estabilización de circuitos.

Clases de Diodos

Pondremos las diferentes clases de diodos que son más comunes dentro de los circuitos electrónicos que podamos usar.

- Diodos de unión.
- Diodos de punta de contacto.
- Diodo emisores de luz.
- Diodo capacitivo (varicap).
- Diodo Zener.
- Diodo túnel.
- Diodo Gunn.

Diodos de unión: Los diodos de unión son los que hemos venido describiendo en esta sección de diodos, es decir, el que consta de un cristal de germanio o de silicio, debidamente dopado, y tiene una forma cilíndrica. Son diodos para baja potencia que se usan mucho como rectificadores de pequeños aparatos. A esta clase de diodo también se le conoce con el nombre de diodos de juntura. Es muy conveniente aprenderse de memoria cada uno de los símbolos electrónicos de los diodos, ello nos facilitará la comprensión de los esquemas, no sólo los de de Areaelectronica.com, sino también cualquier esquema que necesiten entender.

Diodos de punta de contacto: Poseen unas propiedades similiares a los diodos de unión y la única diferencia es, en todo caso, el sistema de construcción que se ha aplicado. En la imagen se muestra un esquema de uno de estos elementos que consta de una punta de contacto en forma de muelle (1) que se hay conectada con un cristal de tipo P (2), el cual se haya a su vez en contacto con un cristal de tipo N (3). En la parte baja, una base metálica hace de soporte y asegura la rigidez del conjunto. Exactamente igual que ocurre con los diodos de unión, el diodo de punta de contacto se comporta dejando pasar la corriente en un solo sentido.

Diodos emisores de luz: Los diodos emisores también son conocidos con el nombre de LED (iniciales de su denominación inglesa Light Emitter Diode) que tienen la particularidad de emitir luz cuando son atravesados por la corriente eléctrica. Como quiera que consiguen una luz bastante viva y, además, con una mínima cantidad de corriente (del orden a algunas decenas de miliamperios).
Los diodos emisores de luz funcionan por un complicado proceso físico en el que desprenden fotones al volver a su órbita de valencia. La energía luminosa radiada puede ser de color verde si el elemento a sido tratado con galio-fósforo, o roja si lo sido con galio-arsenio. De hecho los galios son muy conocidos por la gran variedad de aplicaciones que se les a encontrado en todo orden de aparatos electrónicos.

Diodo capacitivo (varicap): Este diodo, también llamado diodo de capacidad variable, es, en esencia, un diodo semiconductor cuya característica principal es la de obtener una capacidad que depende de la tensión inversa a él aplicada.
Se usa especialmente en los circuitos sintonizadores de televisión y los de receptores de radio en FM.

Diodo Zener: El diodo Zener, también llamado diodo regulador de tensión, podemos definirlo como un elemento semiconductor de silicio que tiene la característica de un diodo normal cuando trabaja en sentido directo, es decir, en sentido de paso; pero en sentido inverso, y para una corriente inversa superior a un determinado valor, presenta una tensión de valor constante. Este fenómeno de tensión constante en el sentido inverso convierte a los diodos de Zener en dipositivos excepcionalmente útiles para obtener una tensión relativamente invisible a las variaciones de la tensión de alimentación, es decir, como dispositivos reguladores de tensión.

Diodo Tunel: Este diodo presenta una cualidad curiosa que se pone de manifiesto rápidamente al observar su curva característica, la cual se ve en el gráfico. En lo que respecta a la corriente en sentido de bloqueo se comporta como un diodo corriente, pero en el sentido de paso ofrece unas variantes según la tensión que se le somete. La intensidad de la corriente crece con rapidez al principio con muy poco valor de tensión hasta llegar a la cresta (C) desde donde, al recibir mayor tensión, se produce una pérdida de intensidad hasta D que vuelve a elevarse cuado se sobrepasa toda esta zona del valor de la tensión.

Diodo Gunn: Este diodo tiene características muy diferentes a los anteriores, ya que no es rectificador. Se trata de un generador de microondas, formado por un semiconductor de dos terminales que utiliza el llamado efecto Gunn. Cuando se aplica entre ánodo y cátodo una tensión continua de 7 V, de modo que el ánodo sea positivo con respecto al cátodo, la corriente que circula por el diodo es continua pero con unos impulsos superpuestos de hiperfrecuencia que pueden ser utilizados para inducir oscilaciones en una cavidad resonante. De hecho, la emisión de microondas se produce cuando las zonas de campo eléctrico elevado se desplazan del ánodo al cátodo y del cátodo al ánodo en un constante viaje rapidísimo entre ambas zonas, lo que determina la frecuencia en los impulsos.

Transisitores

En la sección diodos vimos la unión de dos cristales, P y N, debidamente dopados. Ahora vamos a investigar que ocurre, desde el punto de vista eléctrico, si unimos dos diodos entre si, es decir si unimos un conjunto P-N con otro N-P, dorso contra dorso; o bien si unimos un N-P con otro P-N, en las mismas condiciones.
Debido a que las dos secciones centrales poseen el mismo dopado, se confunden entre si, de modo que nos queda una unión real que equivale, en el primer caso, a P-N-P y en el segundo a N-P-N.
En 1949, alguien realizando pruebas (estas pruebas se realizarán en artículos especiales) se dio cuenta de que se hallaba ante un nuevo dispositivo semiconductor de enormes posibilidades, y lo bautizó con el nombre de transistor sacado de transfer resistor (resistencia de transferencia, en inglés) porque el transistor ofrece una resistencia variable.

Teoría del Transistor

A vista de esa prueba realizada este dispositivo ha de tener tres electrodos o bornes, uno por cada uno de los cristales de que se compone. Al cristal que recibe la corriente, el primero de los tres, se distingue con el nombre de emisor; el cristal del centro como base, y al cristal de salida de la corriente, colector. Entonces, en un transistor de tipo NPN, la primera N será el emisor, P será la base, y la otra N, el colector. Estos nombres se suelen abreviar con las letras E, B y C respectivamente.
Para comprender bien el funcionamiento del transistor debemos recordar la teoría atómica, donde el cristal N es un cristal que tiene exceso de electrones, y el cristal P, es un cristal con exceso de huecos. Por ejemplo un transistor de tipo NPN, siguiendo la imagen en la que una fuente de alimentación (B) provee de corriente al emisor, conectado al polo negativo en el cristal N, negativo también. En estas condiciones se forman como unas barreras Z1 y Z2 en las uniones con el cristal P de base, que impiden el paso de la corriente. La base está llena de huecos que pasan a ser ocupados por los electrones más próximos de los cristales contiguos, formándose estas barreras de átomos en equilibrio que impide el paso de la corriente (salvo una muy débil corriente de fuga de escasísimo valor).
Pero si se polariza la fuente del mismo signo que ella, es decir, con una tensión positiva respecto al emisor, lo que se llama en sentido contrario, la barrera Z1 desaparece porque el potencial positivo aplicado a la base repele los huecos hacia los cristales N y penetran en la zona de resistencia. Los electrones libres del emisor la atraviesan siendo atraídos por los potenciales positivos de la base y del colector. Dado que el potencial positivo del colector es mucho más elevado que el de la base, los electrones se sentirán más atraídos por el primero, por lo que se obtendrá una elevada corriente del colector (que abreviaremos IC) y una pequeña corriente de base (IB). La corriente del emisor (IE) será por tanto igual a la suma de la corriente de colector y la corriente de base, tal como se deduce de las leyes de Kirchhoff. Es decir:

IE = IC + IB

De esto se deduce que la corriente que sale por el colector no va incrementada con la corriente de base. De hecho, la corriente que pasa por emisor y que se designa IE se compone de la corriente de la base y del colector que luego circularán en diferente sentido. En la imagen vemos un esquema de circuito elemental de un transistor en el que se designa también el nombre de las tensiones (V). Así tenemos que VBE es la tensión base-emisor, VCE es la tensión colector-emisor. Como puede verse, en el emisor las corrientes de base colector se suman, tal como dice la ley de Kirchhoff.

  Funcionamiento del Transistor

Para interpretar los esquemas es muy importante saber con detalle el funcionamiento del transistor. Para ello es conveniente ver como se comporta de acuerdo con la corriente de base, que es la principal particularidad de este dispositivo electrónico. Lo analizaremos mejor por medio de imágenes.
En la imagen seguimos con un transistor de tipo NPN, pero sería lo mismo hacer la prueba con el otro tipo de transistor, el PNP, pero habría que hacerlo con las conexiones invertidas para ese caso. En esa imagen va sernos de gran utilidad el potenciómetro (P) que se aprecia en la parte baja y también el miliamperímetro (A) que nos indicará el valor de la corriente que circulará por el colector. Aseguramos de que hemos hecho bien las conexiones, es decir, el negativo de la batería al cristal N emisor, el positivo al colector; y en lo que respecta a la base con su conexión positiva por ser cristal P. En esa imagen que vimos tenemos el potenciómetro a cero, de modo que su alta resistencia impide el paso de la corriente a la base y el transistor no conduce corriente.
Cuando accionamos el cursor del potenciómetro y disminuimos la resistencia del circuito, como se ve en la siguiente imagen; dando paso a una intensidad de corriente (IB) de, por ejemplo 0,1 mA, la corriente pasa a alimentar la base y observamos que el miliamperímetro conectado en serie con el colector mueve su aguja y causa un paso de corriente de 10 mA. Si accionamos el potenciómetro de modo que pase la máxima corriente posible, la aguja del miliamperímetro también delata el aumento del paso de corriente de colector. Entonces deducimos que la corriente de base, cuanto más intensa es, más intensa permite que sea la corriente del colector. De ahí sacamos una importante característica del transistor, y es que se puede regular la corriente de paso por el mismo, por el hecho de establecer una determinada corriente de base. En el ejemplo anterior vimos que con una corriente de 0,1 mA puede controlarse otra corriente de 10 mA, es decir, una corriente 10/0,1 = 100 veces superior.
Otra condición de la mayor importancia para conocer para conocer el funcionamiento del transistor son las siguientes reglas que hemos de considerar siempre cuando se trata de interpretar su funcionamiento. En estos casos:

- Al emisor deberá aplicársele una polaridad del mismo signo que el cristal que los constituye. Si el cristal es del tipo P se le deberá aplicar polaridad positiva; y si es del tipo N se le deberá aplicar polaridad negativa.
- A la base se le aplicará igualmente una polaridad del mismo signo que el cristal que lo constituye. Si es un cristal N se le aplicará polaridad negativa; y si es un cristal P deberá ser positiva.
- Al colector se le aplicará una polaridad opuesta al cristal que lo constituye. Si es un cristal P se le deberá aplicar la polaridad negativa; y si es de cristal N deberá aplicársele la polaridad positiva.

Estas condiciones hay que tenerlas muy en cuenta cada vez que tenga que conectar un transistor en un circuito.

Funciones principales del Transistor

Con todo lo dicho hasta aquí ya tenemos una idea general del funcionamiento de este dispositivo. Ahora hemos de ver para qué sirve, que es el objetivo de este estudio electrónico. A continuación pondremos una lista de funciones de transistores, y luego veremos una de ellas a fondo, la que se considera de mayor importancia en este campo.

Funciones o tipos:
- Amplificadores.
- Interruptores o relés.
- Unipolares (JFET y MOSFET), se utilizan en circuitos integrados.
- Darlington

El tipo o función del transistor que vamos a destacar (por el momento) será como amplificador, hay que aclarar que es eso de amplificar en electrónica, por lo cual lo definiremos. Podríamos decir que amplificar es incrementar una magnitud, y que amplificación es, por lo tanto, el proceso de incrementar la intensidad de una señal. Un amplificador es un dispositivo en el que una débil corriente producida por una fuente provoca una fuerte corriente en otra fuente.
Una amplificación es un aumento de magnitud y no, un aumento de energía; es decir, no es que de un amplificador salga más de lo que entra y por lo tanto haya una creación de algo; lo que ocurre es que sale agrandado, es decir, amplificado. Para mayor claridad pasemos a definir bien lo que se define por 'aumento de magnitud'. Si dividimos la corriente, la tensión o la potencia de salida por el valor correspondiente de entrada nos quedará un resultado que es lo que se llama 'ganancia' del amplificador en términos electrónicos. Una potencia de salida de, por ejemplo, 1 W que resulta de una potencia de entrada de 1 mW significará una ganancia del amplificador de 1000 W (1/0,001= 1000).


Aplicaciones del Transistor

El Transistor como interruptor

El transistor funciona como interruptor cerrado cuando aplicamos una corriente base.

El transistor funciona como interruptor abierto cuando NO aplicamos una corriente base.

El transistor como amplificador.

 Por medio de una pequeña corriente aplicada a la base se puede gobernar otra mucho mas intensa entre colector y emisor.

 Esto significa que pequeñas corrientes se pueden transformar en otras mas fuentes = Amplificación

AMPLIFICADORES.

Frecuentemente los signos proporcionados por una fuente de señales no pueden ser utilizados directamente después de su estricta producción: unas veces resulta que son demacioado fuertes, otras, demaciado débiles; otras veces, sus formas gráficas no son las apropiadas para el dispositivo que debe utilizarlas; otras veces puede ocurrir que no produzcan en el momento oportuno, etc. De ello se deduce que las señales hay que elaborarlas. Si una señal resulta demasiado débil para su utilización, se precisa amplificar, es decir, aumentar su magnitud ya sea en una sola o en varias sucesivas etapas, y ello es lo que llevan a cabo los amplificadores.

Constitución de los Amplificadores

Nosotros ya conocemos, en electrónica general, qué es un transformador, y podríamos decir que su misión es, en el fondo, la de un amplificador ya que, como hace una bobina de encendido, por ejemplo, umenta considerablemente la tensión del secundario a costa de reducir la intensidad. Resulta algo así como tener un billete de USD100 o bien 100 bielletes de USD1: el valor es el mismo. Por lo tanto no hay ganancia que es precisamente lo que distingue al amplificador del tranformador.

En esta imagen vemos un circuito donde un transistor actúa como amplificador, y el cual representa la forma más simple y sencilla de llevar a cabo este circuito básico. Aunque circuitos de este tipo pueden hacerse de muchas formas, hay que destacar aquí la presencia y disposición de las resistencias R1, R2, R3, y R4, así como de los condensadores C1 y C2 que tienen por misiónpermitir el paso de la corriente alterna a través del cicuito amplificador y evitar el paso de la continua de una a otra etapa. A este respecto hay que tener en cuenta que el condensador corta el paso de la corriente continua pero deja pasar la corriente alterna y éste es el caso del alternador, productor de la señal, en la imagen. En cuanto a las resistencias, determinan el punto de funcionamiento del transistor y, sobre todo la R2, actúa también de elemento protector del transistor frente al exceso de temperatura que se genera durante el funcionamiento del semiconductor.
Un amplificador de este tipo puede resultar, para determinadas funciones, con muy poco poder amplificador. Aún cuando un sólo transistor puede muy bien alcanzar un factor de amplación de 100 (lo que significa hacer cien vecesmás grande la señal recibida) hay que tener en cuenta que se trabaja habitualmente con señales tan débiles, que esta amplificación puede resultar del todo insuficiente. Por ello se utilizan amplificadores de dos o más etapas que aumentan al cuadrado el valor de la primera amplificación. Así, si colocamos un montaje como el mostrado en la imagen unido a otro semejante podremos obtener 100 x 100 = 10.000 veces la señal de salida superior a la entrada, y podríamos obtener todavía mucho más a base de acudir a una tercera etapa, etc.

OSCILADORES.

Al estudiar los amplificadores citábamos un circuito electrónico básico en el que, de alguna manera, había una transformación de las señales. Pero en el caso de los osciladores nos encontramos ante un dispositivo que es productor de señales. De este tipo son además los multivibradores y los convertidores.

Se puede imaginar un oscilador como un amplificador que se suministra a sí mismo su propia señal de entrada; es decir, en el que parte de la señal de salida se deriva a la entrada, efectúandose un circuito de autoalimentación hasta alcanzar un punto de saturación máxima en la cual se invierte el proceso hasta llegar asu vez a la anulación de la corriente, y recomenzar de nuevo hasta la saturación, volviendo nuevamente a la anulación y así sucesivamente. Es entonces, un efecto verdaderamente oscilante.

Esquema simple de un oscilador realizado a base de un transistor(T). R, resistencias. I interruptor. Ap, arrollamiento primario. As arrollamiento secundario del transformador. Un sencillo oscilador de este tipo puede servirnos para conseguir desplazar de face a una señal eléctrica alterna en un orden de 180 grados.
Como puede verse, el transistor (T), de tipo PNP, tiene el colector conectado en el arrollamiento primario del transformador de modo que al cerrar el interruptor(I) la corriente empieza a circular desde emisor-colector y primario. La corriente que pasa por éste se induce en el secundario, la cual se suma a la tensión de la base del transistor por lo que éste se hace más pasante (existe aquí una evidente labor de amplificación) de modo que el paso de la corriente por el circuito emisor-colector-primario aumenta. De nuevo se induce, como consecuencia de ello, más corriente en el secundario del transformador con lo que la base resulta más conductora y aumenta a su vez la corriente emisor-colector-primario, lo que aumenta la corriente inducida en el secundario, etc. Esta situación finaliza cuando la corriente que circula por el primario es la máxima admisible, en cuyo caso se estabiliza y no se produce ya inducción puesto que no hay variación de flujo en el transformador. Este es precisamente el momento en que la base del transistor deja de recibir tensión de control, de modo que se produce el fenómeno a la inversa porque al decender el valor de la corriente en el primario, la corriente que se induce en el secundario como consecuencia de la pérdida paulatina de valor de la tensión se hace en el secundario con un signo contrario a la tensión inicial, con lo cual el transistor se bloquea y el primario se queda sin tensión. Llegado este momento no pasa corriente por el primatio y el secundario no recibe inducción, por lo que la base vuelve a quedar en condiciones de recomenzar el ciclo.

El ritmo de la frecuencia en que se producen las oscilaciones se mide en hercios (ciclos u oscilaciones por segundo) y depende de la construcción y diseño del transformador, y pueden ir desde varios centenares a varios miles de hercios por segundo, según el número de espiras, el material con el que se ha construido los núcleos (hierro, ferrita), etc