Transistores y conductores

Electrónica. Cristales de germanio. Diodos: tipos

  • Enviado por: Ignacio Serrano
  • Idioma: castellano
  • País: España España
  • 33 páginas
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SEMICONDUCTORES.

Un componente semiconductor se define como un material sólido o líquido capaz de conducir la electricidad mejor que un aislante, pero peor que un metal.

La conductividad eléctrica, que es la capacidad de conducir la corriente eléctrica cuando se aplica una diferencia de potencial, es una de las propiedades físicas más importantes. Ciertos metales, como el cobre, la plata y el aluminio son excelentes conductores. Por otro lado, ciertos aislantes como el diamante o el vidrio son muy malos conductores. A temperaturas muy bajas, los semiconductores puros se comportan como aislantes. Sometidos a altas temperaturas, mezclados con impurezas o en presencia de luz, la conductividad de los semiconductores puede aumentar de forma espectacular y llegar a alcanzar niveles cercanos a los de los metales. Las propiedades de los semiconductores se estudian en la física del estado sólido.

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.

Los cristales de germanio o de silicio contienen pequeñas cantidades de impurezas que conducen la electricidad, incluso a bajas temperaturas. Las impurezas tienen dos efectos dentro del cristal. Las impurezas de fósforo, antimonio o arsénico se denominan impurezas donantes porque aportan un exceso de electrones. Este grupo de elementos tiene cinco electrones de valencia, de los cuales sólo cuatro establecen enlaces con los átomos de germanio o silicio. Por lo tanto, cuando se aplica un campo eléctrico, los electrones restantes de las impurezas donantes quedan libres para desplazarse a través del material cristalino. Por el contrario, las impurezas de galio y de indio disponen de sólo tres electrones de valencia, es decir, les falta uno para completar la estructura de enlaces interatómicos con el cristal. Estas impurezas se conocen como impurezas receptoras, porque aceptan electrones de átomos vecinos. A su vez, las deficiencias resultantes, o huecos, en la estructura de los átomos vecinos se rellenan con otros electrones y así sucesivamente. Estos huecos se comportan como cargas positivas, como si se movieran en dirección opuesta a la de los electrones cuando se les aplica un voltaje.

Los semiconductores de tipos n y p: un cristal de germanio o de silicio que contenga átomos de impurezas donantes se llama semiconductor negativo, o tipo n, para indicar la presencia de un exceso de electrones cargados negativamente. El uso de una impureza receptora producirá un semiconductor positivo, o tipo p, llamado así por la presencia de huecos cargados positivamente. Un cristal sencillo que contenga dos regiones, una tipo n y otra tipo p, se puede preparar introduciendo las impurezas donantes y receptoras en germanio o silicio fundido en un crisol en diferentes fases de formación del cristal. El cristal resultante presentará dos regiones diferenciadas de materiales tipo n y tipo p. La franja de contacto entre ambas áreas se conoce como unión pn. Tal unión se puede producir también colocando una porción de material de impureza donante en la superficie de un cristal tipo p o bien una porción de material de impureza receptora sobre un cristal tipo n, y aplicando calor para difundir los átomos de impurezas a través de la capa exterior. Al aplicar un voltaje desde el exterior, la unión pn actúa como un rectificador, permitiendo que la corriente fluya en un solo sentido. Si la región tipo p se encuentra conectada al terminal positivo de una batería y la región tipo n al terminal negativo, fluirá una corriente intensa a través del material a lo largo de la unión. Si la batería se conecta al revés, no fluirá la corriente.

Las características de las uniones PN tienen su principal aplicación en la fabricación de diodos, que son dispositivos con una unión PN cuya principal función es la de conducir un flujo de corriente cuando la polarización es directa y bloquearla cuando está en inversa.

Tambien se puede aprovechar la tensión de avalancha (tensión máxima de polarización inversa) para fabricar diodos especiales denominados zener, cuya característica es que la tensión de polarización inversa permanece constante al variar la intensidad del cátodo al ánodo en un determinado valor de fabricación, esta peculiaridad es útil para construir estabilizadores de tensión.

Los transistores más populares son dos uniones en serie que pueden ser de tipo PNP o NPN. Su cualidad es que al fluir una corriente desde la unión central P a la unión tipo N (ejemplo de tipo NPN), fluye una intensidad mucho mayor desde la otra unión N hacia la N anterior de forma proporcional a la intensidad que insertemos. Con esta propiedad podemos construir amplificadores de tensión o de corriente.

DIODOS.

Introducción

Diodo, componente electrónico que permite el paso de la corriente en un solo sentido. Los diodos más empleados en los circuitos electrónicos actuales son los diodos fabricados con material semiconductor. El más sencillo, el diodo con punto de contacto de germanio, se creó en los primeros días de la radio. En los diodos de germanio (o de silicio) modernos, el cable y una minúscula placa de cristal van montados dentro de un pequeño tubo de vidrio y conectados a dos cables que se sueldan a los extremos del tubo.

Los diodos de unión constan de una unión de dos tipos diferentes de material semiconductor. El diodo Zener es un modelo especial de diodo de unión, que utiliza silicio, en el que la tensión en paralelo a la unión es independiente de la corriente que la atraviesa. Debido a esta característica, los diodos Zener se utilizan como reguladores de tensión. Por otra parte, en los diodos emisores de luz (LED, acrónimo inglés de Light-Emitting Diode), una tensión aplicada a la unión del semiconductor da como resultado la emisión de energía luminosa. Los LED se utilizan en paneles numéricos como los de los relojes digitales electrónicos y calculadoras de bolsillo.

Para resolver problemas referentes a los diodos se utilizan en la actualidad tres aproximaciones:

  • La primera aproximación es la del diodo ideal, en la que se considera que el diodo no tiene caída de tensión cuando conduce en sentido positivo, por lo que esta primera aproximación consideraría que el diodo es un cortocircuito en sentido positivo. En cambio, el diodo ideal se comporta como un circuito abierto cuando su polarización es inversa.

  • En la segunda aproximación, consideramos que el diodo tiene una caída de tensión cuando conduce en polarización directa. Esta caída de tensión se ha fijado en 0.7 V para el diodo de silicio, lo que hace que la segunda aproximación pueda representarse como un interruptor en serie con una fuente de 0.7 V.

  • La tercera aproximación aproxima más la curva del diodo a la real, que es una curva, no una recta, y en ella colocaríamos una resistencia en serie con la fuente de 0.7 V.

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Siendo, en la ecuación anterior, Rb la resistencia de la tercera aproximación (generalmente muy pequeña), y Id la corriente de polarización del diodo. La más utilizada es la segunda aproximación.

Los diodos de unión p-n y los zener tienen características constructivas que los diferencian de otros. Su tamaño, en muchos casos, no supera el de una resistencia de capa o de película de 1/4W y aunque su cuerpo es cilíndrico, es de menor longitud y diámetro que las resistencias. Aunque existe gran variedad de tipos, sólo algunos especiales difieren de su aspecto. No ocurre lo mismo con el tamaño, pues es función de la potencia que pueden disipar. Es característico encontrarse un aillo en el cuerpo que nos indica el cátodo. Para aquellos cuyo tipo concreto viene señalado por una serie de letras y números, el cátodo es marcado mediante un anillo en el cuerpo, próximo a este terminal. Otros usan códigos de

colores, y en ellos el cátodo se corresponde con el terminal más próximo a la anda de color más gruesa. Existen fabricantes que marcan el cátodo con la letra "K" o el ánodo con la "a". Los diodos de punta de germanio suelen encapsularse en vidrio. En cuanto a los diodos LED, se encuentran encapsulados en resinas de distintos colores, según sea la longitud de onda con la que emita. El ánodo de estos diodos es más largo que el cátodo, y usualmente la cara del encapsulamiento próxima al cátodo es plana.

Una forma práctica de determinar el cátodo consiste en aplicar un polímetro en modo óhmetro entre sus terminales. Si el terminal de prueba se aplica de ánodo a cátodo, aparecen lecturas del orden de 20-30Ω. Si se invierten los terminales, estas lecturas son del orden de 200-300 KΩ para el Ge, y de varios MΩ Para el Si. Si con el multitester utilizamos el modo de prueba de diodos, obtenemos el valor de la tensión de codo del dispositivo. Con ello conseguimos identificar los dos terminales (ánodo y cátodo), y el material del que esta hecho (0.5-0.7 V para el de Si, 0.2-0.4 para el germanio y 1.2-1.5 para la mayoría de los LED.

Tipos de Diodos

DIODO DE USO COMUN

El diodo semiconductor se forma uniendo los materiales tipo N y tipo P, los cuales deben estar construidos a partir del mismo material base, el cual puede ser Ge o Si. En el momento en que dos materiales son unidos (uno tipo N y el otro tipo P), los electrones y los huecos que están en, o cerca de, la región de "unión", se combinan y esto da como resultado una carencia de portadores (tanto como mayoritarios como minoritarios) en la región cercana a la unión. Esta región de iones negativos y positivos descubiertos recibe el nombre de Región de Agotamiento por la ausencia de portadores.

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Existen tres posibilidades al aplicar un voltaje a través de las terminales del diodo:

  • No hay polarización (Vd = 0 V).

  • Polarización directa (Vd > 0 V).

  • Polarización inversa (Vd < 0 V).

Vd = 0 V. En condiciones sin polarización, los portadores minoritarios (huecos) en el material tipo N que se encuentran dentro de la región de agotamiento pasarán directamente al material tipo P y viceversa. En ausencia de un voltaje de polarización aplicado, el flujo neto de carga (corriente) en cualquier dirección es cero para un diodo semiconductor.

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La aplicación de un voltaje positivo "presionará" a los electrones en el material tipo N y a los huecos en el material tipo P para recombinar con los iones de la frontera y reducir la anchura de la región de agotamiento hasta desaparecerla cuando VD ³ 0.7 V para diodos de Silicio.

Id = I mayoritarios - Is

Condición de Polarización Inversa (Vd < 0 V). Bajo esta condición el número de iones positivos descubiertos en la región de agotamiento del material tipo N aumentará debido al mayor número de electrones libres arrastrados hacia el potencial positivo del voltaje aplicado. El número de iones negativos descubiertos en el material tipo P también aumentará debido a los electrones inyectados por la terminal negativa, las cuales ocuparán los huecos.

El fenómeno explicado anteriormente, en ambos tipos de material N y P, provocará que la región de agotamiento se ensanche o crezca hasta establecer una barrera tan grande que los portadores mayoritarios no podrán superar, esto significa que la corriente Id del diodo será cero. Sin embargo, el número de portadores minoritarios que estarán entrando a la región de agotamiento no cambiará, creando por lo tanto la corriente Is. La corriente que existe bajo condiciones de polarización inversa se denomina corriente de saturación inversa,

Is.

El término "saturación" proviene del hecho que alcanza su máximo nivel (se satura) en forma rápida y no cambia significativamente con el incremento en el potencial de polarización inversa, hasta que al valor Vz o VPI, voltaje pico inverso.

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El máximo potencial de polarización inversa que puede aplicarse antes de entrar en la región Zener se denomina Voltaje Pico Inverso o VPI nominal.

Los diodos de silicio tienen generalmente valores nominales de VPI y de corriente más altos e intervalos de temperatura más amplios que los diodos de germanio.

El general, el funcionamiento de este diodo, a grandes rasgos es la siguiente: En la zona directa se puede considerar como un generador de tensión continua, tensión de codo (0.5-0.7 V para el silicio y 0.2-0.4 V para el germanio). Cuando se polariza en inversa se puede considerar como un circuito abierto. Cuando se alcanza la tensión inversa de disyunción (zona Inversa) se produce un aumento drástico de la corriente que puede llegar a destruir al dispositivo. Este diodo tiene un amplio margen de aplicaciones: circuitos rectificadores, limitadores, fijadores de nivel, protección contra cortocircuitos, demoduladores, mezcladores, osciladores, bloqueo y bypass en instalaciones fotovolcaicas, etc.

Cuando usamos un diodo en un circuito se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones (a partir de las hojas de características suministradas por el fabricante):

  • La tensión inversa máxima aplicable al componente, repetitiva o no (VRRR máx o VR máx, respectivamente) ha de ser mayor (del orden de tres veces) que la máxima que este va a soportar.

  • La corriente máxima en sentido directo que puede atravesar al componente, repetitiva o no (IFRM máx e IF máx respectivamente), he de ser mayor (del orden del doble) que la máxima que este va a soportar.

  • La potencia máxima que puede soportar el diodo (potencia nominal) ha de ser mayor (del orden del doble) que la máxima que este va a soportar.

  • En la figura N°01, podemos observar la representación gráfica o símbolo para este tipo de diodo.

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    Figura N°01

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    Curva Diodo Real

    Uno de los parámetros importantes para el diodo es la resistencia en el punto o región de operación. Si consideramos la región definida por la dirección de Id y la polaridad de Vd, encontraremos que el valor de la resistencia directa RF, de acuerdo a como se define con la ley de Ohm es:

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    Donde VF es el voltaje de polarización directo a través del diodo e IF es la corriente en sentido directo a través del diodo. El diodo, por consiguiente, es un corto circuito para la región de conducción.

    Si consideramos la región del potencial aplicado negativamente,

    Transistores y conductores

    Donde VR es el voltaje de polarización inverso a través del diodo e IR es la corriente inversa en el diodo. El diodo, en consecuencia, es un circuito abierto en la región en la que no hay conducción.

    DIODO ZENER

    La corriente en la región Zener tiene una dirección opuesta a la de un diodo polarizado directamente. El diodo Zener es un diodo que ha sido diseñado para trabajar en la región Zener.

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    Figura N°02

    De acuerdo con la definición, se puede decir que el diodo Zener ha sido diseñado para trabajar con voltajes negativos (con respecto a él mismo). Es importante mencionar que la región Zener (en un diodo Zener) se controla o se manipula variando los niveles de dopado. Un incremento en el número de impurezas agregadas, disminuye el potencial o el voltaje de Zener VZ.

    Así, se obtienen diodos Zener con potenciales o voltajes de Zener desde -1.8 V a -200 V y potencias de 1/4 a 50 W. El diodo Zener se puede ver como un dispositivo el cual cuando ha alcanzado su potencial VZ se comporta como un corto. Es un "switch" o interruptor que se activa con VZ volts. Se aplica en reguladores de voltaje o en fuentes.

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    Figura N°03

    En el circuito que se muestra en la figura N°03, se desea proteger la carga contra sobre voltajes, el máximo voltaje que la carga puede soportar es 4.8 volts. Si se elige un diodo Zener cuyo VZ sea 4.8 volts, entonces este se activará cuando el voltaje en la carga sea 4.8 volts, protegiéndola de esta manera.

    De acuerdo a otras consideraciones, el funcionamiento de este diodo, a grandes rasgos es la siguiente:

    En la zona directa lo podemos considerar como un generador de tensión continua (tensión de codo). En la zona de disrupción, entre la tensión de codo y la tensión zener (Vz nom) lo podemos considerar un circuito abierto. Cuando trabaja en la zona de disrupción se puede considerar como un generador de tensión de valor Vf= -Vz.

    El zener se usa principalmente en la estabilidad de tensión trabajando en la zona de disrupción.

    Podemos distinguir:

  • Vz nom,Vz: Tensión nominal del zener (tensión en cuyo entorno trabaja adecuadamente el zener).

  • Iz min: Mínima corriente inversa que tiene que atravesar al diodo a partir de la cual se garantiza el adecuado funcionamiento en la zona de disrupción (Vz min).

  • Iz max: Máxima corriente inversa que puede atravesar el diodo a partir de la cual el dispositivo se destruye (Vz max).

  • Pz: Potencia nominal que no debe sobrepasar el componente. Aproximadamente se corresponde con el producto de Vz nom y Iz max.

  • En la gráfica N°01, se puede observar la curva característica de este tipo de diodo.

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    Gráfica N°01

    Cuando usamos un diodo zener en un circuito se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones (a partir de las hojas de características suministradas por el fabricante):

  • Para un correcto funcionamiento, por el zener debe circular una corriente inversa mayor o igual a Iz min.

  • La corriente máxima en sentido inverso ha de ser siempre menor que Iz max.

  • La potencia nominal Pz que puede disipar el zener ha de ser mayor (del orden del doble) que la máxima que este va a soportar en el circuito.

  • EL DIODO EMISOR DE LUZ (LED)

    El LED es un diodo que produce luz visible (o invisible, infrarroja) cuando se encuentra polarizado. El voltaje de polarización de un LED varía desde 1.8 V hasta 2.5 V, y la corriente necesaria para que emita la luz va desde 8 mA hasta los 20 mA.

    Principio de Funcionamiento:

    En cualquier unión P-N polarizada directamente, dentro de la estructura y principalmente cerca de la unión, ocurre una recombinación de huecos y electrones (al paso de la corriente). Esta recombinación requiere que la energía que posee un electrón libre no ligado se transfiera a otro estado. En todas las uniones P-N una parte de esta energía se convierte en calor y otro tanto en fotones. En el Si y el Ge el mayor porcentaje se transforma en calor y la luz emitida es insignificante. Por esta razón se utiliza otro tipo de materiales para fabricar los LED's, como Fosfuro Arseniuro de de Galio (GaAsP) o fosfuro de Galio (GaP).

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    Figura N°03

    Los diodos emisores de luz se pueden conseguir en colores: verde, rojo, amarillo, ámbar, azul y algunos otros.

    Hay que tener en cuenta que las características obtenidas de las hojas de especificaciones pueden ser distintas para los diodos (p. e. 1N4001) aunque ambos hayan sido producidos en el mismo lote. También hay que tener en cuenta otro tipo de tolerancias como los resistores, uno marcado de 100W puede ser realmente de 98W o de 102W o tal vez si ser exacto, y una fuente "ajustada" a 10V puede estar ajustada realmente a 9.9V o a 10.1V o tal vez a 10V.

    De acuerdo a otras consideraciones, El diodo LED presenta un comportamiento análogo al diodo rectificador (diodo semiconductor p-n), sin embargo, su tensión de codo tiene un valor mayor, normalmente entre 1.2-1.5 V. Según el material y la tecnología de fabricación estos diodos pueden emitir en el infrarrojo (diodos IRED), rojo, azul, amarillo y verde, dependiendo de cual sea la longitud de onda en torno a la cual emita el LED.

    Entre sus aplicaciones podemos destacar: pilotos de señalización, instrumentación, optoaclopadores, etc.

    Resulta difícil distinguir, por pura inspección visual, el modelo del LED así como el fabricante: los valores máximos de tensión y corriente que puede soportar y que suministra el fabricante serán por lo general desconocidos. Por esto, cuando se utilice un diodo LED en un circuito, se recomienda que la intensidad que lo atraviese no supere los 20 mA, precaución de carácter general que resulta muy válida. En la figura N°04, se muestra el símbolo electrónico de este tipo de diodo.

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    Figura N°04

    El diodo LED puede ser tratado de manera análoga a un diodo normal. sin embargo conviene tener en cuenta que los diodos LED no están fabricados de silicio monocristalino, ya que el silicio monocristalino es incapaz de emitir fotones. Debido a ello, la tensión de polarización directa Vd depende del material con el que esté fabricado el diodo.

    El material que compone el diodo LED, es importante ya que el color de la luz emitida por el LED depende únicamente del material y del proceso de fabricación principalmente de los dopados.

    En la tabla adjunta aparecen algunos ejemplos de materiales utilizados junto con los colores conseguidos:

    Material

    Longitud de Onda

    Color

    Vd Típica

    AsGa

    904 nm

    IR

    1 V

    InGaAsP

    1300 nm

    IR

    1 V

    AsGaAl

    750-850 nm

    Rojo

    1,5 V

    AsGaP

    590 nm

    Amarillo

    1,6 V

    InGaAlP

    560 nm

    Verde

    2,7 V

    CSi

    480 nm

    Azul

    3 V

    FOTODIODOS

    Los fotodiodos. Son diodos sensibles a la luz. Generan un voltaje de corriente continua proporcional a la cantidad de luz que incide sobre su superficie, es decir, son diodos de unión PN cuyas características eléctricas dependen de la cantidad de luz que incide sobre la unión. Se utilizan como medidores y sensores de luz y en receptores ópticos de comunicaciones.

    Transistores y conductores
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    Representación gráfica de un Fotodiodo y su correspondientes curvas características

    El efecto fundamental bajo el cual opera un fotodiodo es la generación de pares electrón - hueco debido a la energía luminosa. Este hecho es lo que le diferencia del diodo rectificador de silicio en el que, solamente existe generación térmica de portadores de carga. La generación luminosa, tiene una mayor incidencia en los portadores minoritarios, que son los responsables de que el diodo conduzca ligeramente en inversa.

    El comportamiento del fotodiodo en inversa se ve claramente influenciado por la incidencia de luz. Conviene recordar que el diodo real presenta unas pequeñas corrientes de fugas de valor IS. Las corrientes de fugas son debidas a los portadores minoritarios, electrones en la zona P y huecos en la zona N. La generación de portadores debido a la luz provoca un aumento sustancial de portadores minoritarios, lo que se traduce en un aumento de la corriente de fuga en inversa tal y como se ve en la figura anterior.

    El comportamiento del fotodiodo en directa apenas se ve alterado por la generación luminosa de portadores. Esto es debido a que los portadores provenientes del dopado (portadores mayoritarios) son mucho más numerosos que los portadores de generación luminosa.

    Transistores y conductores

    Corte transversal de un fotodiodo comercial

    DIODOS DE EFECTO TUNEL

    Los diodos de efecto túnel. Son dispositivos muy versátiles que pueden operar como detectores, amplificadores y osciladores. Poseen una región de juntura extremadamente delgada que permite a los portadores cruzar con muy bajos voltajes de polarización directa y tienen una resistencia negativa, esto es, la corriente disminuye a medida que aumenta el voltaje aplicado.

    Transistores y conductores
    Transistores y conductores

    Representación gráfica de un diodo TUNEL y su correspondiente gráfica

    LOS VARACTORES

    Son diodos de silicio perfeccionados para operar con capacitancia variable, que se utilizan como sintonizadores en sistemas de comunicaciones, especialmente en FM.

    A máxima capacitancia del varactor se presenta con voltajes de polarización cero, cuando la capa de agotamiento es más delgada. Cuanto más alto es el voltaje inverso aplicado, más estrecha es la capa de agotamiento y por lo tanto, la capacitancia disminuye. Estos diodos también reciben el nombre de diodos Varicap.

    Transistores y conductores
    Transistores y conductores

    El símbolo del diodo varactor se muestra abajo con una representación del diagrama.

    Cuando un voltaje inverso es aplicado a la junción PN, los agujeros en la región P se atraen a la terminal del ánodo y los electrones en la región N se atraen a la terminal del cátodo, creando una región de poca corriente. Esta es la región de agotamiento, son esencialmente desprovistos de portadores y se comportan como el dieléctrico de un condensador.

    La región de agotamiento aumenta mientras que el voltaje inverso aplicado a él aumenta; y puesto que la capacitancia varía inversamente con el espesor dieléctrico, la capacitancia de la juntura disminuirá cuando el voltaje aplicado a la juntura PN aumenta. En la gráfica, se observa la variación de la capacidad con respecto al voltaje.

    Transistores y conductores

    En la gráfica se puede observar el aumento no lineal en la capacitancia cuando se disminuye el voltaje inverso. Esta no linealidad, permite que el varactor sea utilizado también como generador armónico.

    Las consideraciones importantes del varactor son:

  • Valor de la capacitancia.

  • Voltaje.

  • Variación en capacitancia con voltaje.

  • Voltaje de funcionamiento máximo.

  • Corriente de la salida.

  • LOS DIODOS VARISTOR

    O supresor de transientes, es un dispositivo semiconductor utilizado para absorber picos de alto voltaje desarrollados en las redes de alimentación eléctrica. Cuando aparece un transitorio, el varistor cambia su resistencia de un valor alto a otro valor muy bajo. El transitorio es absorbido por el varistor, protegiendo de esa manera los componentes sensibles del circuito. Los varistors se fabrican con un material no-homogéneo.(Carburo de silicio).

    CARACTERISTICAS:

  • Amplia gama de voltajes - desde 14 V a 550 V (RMS). Esto permite una selección fácil del componente correcto para una aplicación específica.

  • Alta capacidad de absorción de energía respecto a las dimensiones del componente.

  • Tiempo de respuesta de menos de 20 ns, absorbiendo el transitorio en el instante que ocurre.

  • Bajo consumo (en stabd-by) - virtualmente nada.

  • Valores bajos de capacidad, lo que hace al varistor apropiado para la protección de circuitería en conmutación digital.

  • Alto grado de aislamiento.

  • Máximo impulso de corriente no repetitiva

    • El pico máximo de corriente permitido a través del varistor depende de la forma del impulso, del duty cycle y del número de pulsos.

    • Con el fin de caracterizar la capacidad del varistor para resistir impulsos de corriente, se permite generalmente que garantice un `máximo impulso de corriente no repetitiva'. Este viene dado por un impulso caracterizado por la forma del impulso de corriente desde 8 microsegundos a 20 microsegundos siguiendo la norma “IEC 60-2”, con tal que la amplitud del voltaje del varistor medido a 1 mA no lo hace cambiar más del 10% como máximo.

    • Un impulso mayor que el especificado puede ocasionar cortocircuitos o ruptura del propio componente; se recomienda por lo tanto instalar un fusible en el circuito que utiliza el varistor, o utilizar una caja protectora.

    • Si se aplica más de un de impulso o el impulso es de una duración mas larga, habría que estudiar las curvas que al efecto nos proporcionan los fabricantes, estas curvas garantizan la máxima variación de voltaje (10%) en el varistor con 1 mA.

    Energía máxima

    Durante la aplicación de un impulso de corriente, una determinada energía será disipada por el varistor. La cantidad de la energía de disipación es una función de:

  • La amplitud de la corriente.

  • El voltaje correspondiente al pico de corriente.

  • La duración del impulso.

  • El tiempo de bajada del impulso; la energía que se disipa durante el tiempo entre 100% y 50% del pico de corriente.

  • La no linealidad del varistor.

  • A fin de calcular la energía disipada durante un impulso, se hace con la referencia generalmente a una onda normalizada de la corriente. Esta onda esta prescrita por la norma “IEC 60-2 secciona 6” tiene una forma que aumenta desde cero al valor de pico en un el tiempo corto, disminuyendo hasta cero o de una manera exponencial, o bien sinusoidal.

    Transistores y conductores

    Esta curva es definida por el tiempo principal virtual (t1) y el tiempo virtual al valor medio (t2)

    DIODO SCHOTTKY (DIODO DE BARRERA)

    Los diodos Schottky. Son dispositivos que tienen una caída de voltaje directa (VF) muy pequeña, del orden de 0.3 V o menos. Operan a muy altas velocidades y se utilizan en fuentes de potencia, circuitos de alta frecuencia y sistemas digitales. Reciben también el nombre de diodos de recuperación rápida (Fast recovery) o de portadores calientes.

    Cuando se realiza una ensambladura entre una terminal metálica se hace un material semiconductor, el contacto tiene, típicamente, un comportamiento óhmico, cualquiera, la resistencia del contacto gobierna la secuencia de la corriente. Cuando este contacto se hace entre un metal y una región semiconductora con la densidad del dopante relativamente baja, las hojas dominantes del efecto debe ser el resistivo, comenzando también a tener un efecto de rectificación. Un diodo Schottky, se forma colocando una película metálica en contacto directo con un semiconductor, según lo indicado en la figura N°05. El metal se deposita generalmente en un tipo de material N, debido a la movilidad más grande de los portadores en este tipo de material. La parte metálica será el ánodo y el semiconductor, el cátodo.

    En una deposición de aluminio Transistores y conductores
    (3 electrones en la capa de valencia), los electrones del semiconductor tipo N migran hacía el metal, creando una región de transición en la ensambladura.

    Se puede observar que solamente los electrones (los portadores mayoritarios de ambos materiales) están en tránsito. Su conmutación es mucho más rápida que la de los diodos bipolares, una vez que no existan cargas en la región tipo N, siendo necesaria rehacer la barrera de potencial (típicamente de 0,3V). La Región N tiene un dopaje relativamente alto, a fin de reducir la pérdida de conducción, por esto, la tensión máxima soportable para este tipo de diodo está alrededor de los 100V.

    La principal aplicación de este tipo de diodos, se realiza en fuentes de baja tensión, en las cuales las caídas en los rectificadores son significativas.

    Transistores y conductores

    Figura N°05 (Diodo Schottky construido a través de la técnica de CIs.)

    Transistores y conductores

    Curva característica de un diodo SCHOTTKY

    EL DIODO LASER

    Los diodos láser son constructivamente diferentes a los diodos LED normales. Las características de un diodo láser son:

  • La emisión de luz es dirigida en una sola dirección: Un diodo LED emite fotones en muchas direcciones. Un diodo láser, en cambio, consigue realizar un guiado de la luz preferencial una sola dirección.

  • Transistores y conductores

    Corte esquemático de la emisión de luz en diodos LED y láser

    Transistores y conductores

    Intensidad de luz en función de la longitud de onda para diodos LED y láser

    Debido a estas dos propiedades, con el láser se pueden conseguir rayos de luz monocromática dirigidos en una dirección determinada. Como además también puede controlarse la potencia emitida, el láser resulta un dispositivo ideal para aquellas operaciones en las que sea necesario entregar energía con precisión.

    Ejemplo de aplicación: El lector de discos compactos:

    Una de las muchas aplicaciones de los diodos láser es la de lectura de información digital de soportes de datos tipo CD-ROM o la reproducción de discos compactos musicales. El principio de operación de uno y otro es idéntico.

    Transistores y conductores

    Esquema del funcionamiento del CD-ROM

    Un haz láser es guiado mediante lentes hasta la superficie del CD. A efectos prácticos, se puede suponer dicha superficie formada por zonas reflectantes y zonas absorbentes de luz. Al incidir el haz láser en una zona reflectante, la luz será guiada hasta un detector de luz: el sistema ha detectado un uno digital. Si el haz no es reflejado, al detector no le llega ninguna luz: el sistema ha detectado un cero digital.

    Un conjunto de unos y ceros es una información digital, que puede ser convertida en información analógica en un convertidor digital-analógico. Pero esa es otra historia que debe de ser contada en otra ocasión.

    SIMBOLOGÍA

    Transistores y conductores

    Gráfica Simbología Tipos de Diodos

    TRANSISTORES.

    Antes de 1950 todo equipo electrónico utilizaba válvulas al vacío, que son bulbos con un brillo tenue, que predominaban en la industria. El calefactor de una válvula al vacío normal consumía un par de watts, por lo que el equipo requería una fuente de alimentación voluminosa que generaba una cantidad considerable de calor, lo cual preocupaba sobremanera a los diseñadores. El resultado era un equipo anticuado y pesado. En 1951 Shockley inventó el primer transistor de unión, que fue todo un acontecimiento porque significó un gran cambio. El impacto del transistor en la electrónica ha sido enorme, pues además de iniciar la industria multinúllonaria de los semiconductores, ha sido el precursor de otros inventos como son los circuitos integrados, los dispositivos optoelectrónicos y los microprocesadores. Actualmente, casi todo equipo electrónico utiliza dispositivos semiconductores. Los cambios han sido más notables en la industria de las computadoras.

    Un transistor puede considerarse formado por dos diodos semiconductores con una zona común. En un transistor existen, por consiguiente, tres terminales. La zona común se denomina base y las dos zonas exteriores en contacto con la base son el emisor y el colector.

    Para que el transistor funcione correctamente, la unión correspondiente al diodo emisor-base debe polarizarse en sentido directo, mientras que la unión correspondiente al colector-base ha de estar polarizada en sentido inverso.

    Si se conecta únicamente el circuito emisor-base, con dolarización directa, se establece una circulación eléctrica desde el emisor a la base a través de la unión. Desconectando la alimentación en el circuito emisor-base y comunicando el conector-base con dolarización en sentido inverso, la circulación será prácticamente ambas uniones emisor-base y colector-base, se establecerá una corriente entre el emisor y el colector. Dicha corriente esta determinada por la tensión positiva del emisor y la negativa del colector, siempre con relación a la base.

    El factor de amplificación de corriente de in transistor es la relación entre la corriente de colector y la del emisor.

    La característica del transistor en virtud de la cual, al vaciar la tensión del emisor, se pueden obtener variaciones en la corriente del colector, comporta que pueda comparársele con una válvula termoiónica. El emisor, la base y el colector del transistor pueden identificarse con el cátodo, rejilla y ánodo de tríodo, respectivamente.

    Hay dos tipos de transistores:

    ESTUDIO DEL TRANSISTOR BIPOLAR

    El transistor convencional o bipolar se denomina así porque en su funcionamiento intervienen corrientes de huecos, o de carga positiva, y de electrones, o de carga negativa. Otros dispositivos como los FET se denominan monopolares porque sólo hay corrientes de un tipo.

    Los terminales del transistor reciben el nombre de emisor, colector y base. La base es el terminal que está unido a la zona intermedia del transistor. Las tres partes del transistor se diferencian por el distinto nivel de dopaje; la zona de menor dopaje es la base, a continuación se encuentra el colector y por último el emisor.

    Estudio de las corrientes

    El análisis del transistor se realizará para una estructura NPN, y es análogo para el PNP.

    Un transistor sin polarizar se comporta como dos diodos en contraposición, y no existen corrientes notables circulantes por él. Si se polariza, aparecen tres corrientes distintas, la corriente de base, IB, corriente de emisor, IE, y por último la corriente de colector, IC. En la figura siguiente están dibujadas estas corrientes según convenio, positivas hacia adentro:

    Transistores y conductores

    Corriente en un transistor.

    De estas tres corrientes, la del emisor es la más grande, puesto que éste se comporta como fuente de electrones. La corriente de base es muy pequeña, no suele llegar al 1% de la corriente de colector.

    Aplicando la ley de Kirchhoff se tiene la siguiente relación:

    IB + IC - IE = 0 ; IE = IB + IC

    Existen dos parámetros que relacionan las distintas corrientes, el coeficiente alfa para continua, a, y la ganancia de corriente beta, b.

    El factor Alfa. Es el cociente entre la intensidad de colector y la de emisor. Su valor nunca será superior a la unidad y da idea de hasta qué punto son iguales estas corrientes.

    a = IC / IE

    El valor de a suele ser superior a 0,95, y en muchos casos es mayor de 0,99, por ello para mayor simplicidad

    de cálculos se suele tomar a = 1.

    El factor Beta. La ganancia de corriente b se define como el cociente entre la corriente de colector y la de base.

    b = IC / IB

    Para transistores de baja potencia b tiene valores entre 100 y 300.

    Relación entre a y b. Partiendo de la ecuación de las corrientes, IE = IB + IC, si se divide ambos términos por IC, se tiene que:

    IE / IC = 1 + (IB / IC) teniendo en cuenta que IC / IB = b y IC / IE = a se tiene 1 / a = 1 + 1 / b

    despejando b de la ecuación anterior:

    b = a / 1-a

    Configuraciones

    Dependiendo de cuál sea el terminal común a la entrada y a la salida del transistor, se distinguen tres tipos de configuraciones:

    Configuración en base común. La base constituye el terminal común a la entrada y a la salida, se encuentra unida a masa. La ganancia en corriente de este circuito es la unidad, pero sin embargo la ganancia en tensión puede ser muy alta y, por lo tanto, también la ganancia en potencia. Esta configuración presenta muy poca realimentación entre la entrada y la salida, por lo que se emplea especialmente en circuitos de frecuencias altas o muy altas.

    Configuración en emisor común. El emisor está unido a tierra. La ganancia en corriente es alta (la Beta del transistor), la ganancia en tensión y en potencia (dependiente de la carga de colector) es igualmente alta. Es la configuración más utilizada.

    Configuración en colector común. En este caso, el terminal que está conectado a masa es el colector. La entrada se aplica a la base, como en las configuraciones anteriores y la carga entre el emisor y masa. Esta configuración tiene una ganancia en corriente de la beta del transistor, la ganancia en tensión es muy parecida, pero inferior a la unidad, y la ganancia en potencia es aproximadamente la beta del transistor. Esta configuración se llama también seguidor de emisor; se emplea para aislar o adaptar impedancias, ya que el circuito de base ofrece a la señal una impedancia beta veces inferior a la que se encuentra en el emisor. Se conoce como seguidor de emisor porque la tensión en el emisor "sigue" a la de base.

    Transistores y conductores

    Configuraciones básicas de empleo de un transistor.

    Curvas características

    Un transistor en régimen estático se encuentra, solamente, bajo la acción de las tensiones continuas que se le aplican para polarizarle. Una forma de resumir este funcionamiento es utilizar las curvas características del transistor, que relacionan las tensiones y las corrientes. Las tensiones y corrientes que se utilizan dependen de la configuración del transistor, pero independientemente de ésta, se distinguen dos tipos de curvas: la característica de entrada y la característica de salida.

    a) Características de entrada

    La característica de entrada relaciona dos magnitudes de entrada con una de salida. En el caso de la configuración en emisor común se tiene la corriente de base en función de la tensión base-emisor, para distintos valores de tensión colector- emisor. La corriente de base y la tensión base-emisor son variables de entrada, mientras que la tensión colector-emisor es una magnitud de salida.

    Si se tiene una configuración en base común, su característica de entrada relacionará la corriente del emisor con la tensión emisor-base, utilizando la tensión colector-base como parámetro. La corriente de emisor y la tensión emisor-base con las magnitudes de entrada.

    La figura muestra las diferentes características de entrada de dos transistores NPN de germanio y silicio respectivamente en función del voltaje base-emisor para dos valores del voltaje colector. emisor.

    Transistores y conductores

    Características típicas de transistores.

    b) Características de salida

    La característica de salida tiene dos de las tres magnitudes pertenecientes al circuito de salida. Las curvas que relacionan la corriente de colector, la de base y la tensión emisor-colector son características de salida en configuración emisor-común, mientras que las que relacionan la corriente de emisor, la de colector y la tensión colector-base son las curvas correspondientes a una configuración en base común.

    Transistores y conductores

    Familia de curvas de corriente colector.

    Zonas de funcionamiento

    Un transistor bipolar puede funcionar de tres formas diferentes dependiendo de la polarización que tengan las dos uniones, base-emisor y base-colector. Estas zonas se pueden observar en la familia de curvas características de salida de un transistor como se muestra en la figura.

    Zona de corte. Para un transistor de silicio, Vbe es inferior a 0,6 V ( para germanio 0,2 V), ambas uniones están polarizadas en sentido inverso y las intensidades en los terminales se pueden considerar despreciables. En otras palabras, la tensión de base no es lo suficientemente alta para que circule corriente por la unión base emisor, por lo que la corriente de colector es igualmente despreciable.

    Zona activa. La unión base-emisor está polarizada en sentido directo ( Vbe > 0,6 V) y la unión colectora lo está en sentido inverso, la corriente inversa que circula en la unión de colector es beta veces la corriente que circula en sentido directo base emisor. Esta zona es muy importante, puesto que el transistor funciona en ella cuando se utiliza para amplificar señales.

    Zona de saturación. Ambas uniones, emisora y colectora, están polarizadas en sentido directo. La corriente base-emisor es muy grande, por lo que la corriente de colector lo es igualmente grande. Se dice que ha entrado en saturación si el voltaje del colector es inferior a la tensión base-emisor.

    Limites de los transistores

    En la hoja de características de un transistor aparecen una serie de valores que deben ser respetados si no se quiere que el transistor se destruya o pierda sus propiedades. Aunque estas características están comentadas para los transistores bipolares, las de los transistores unipolares son muy similares.

    Corriente máxima de colector

    Esta corriente viene limitada por la superficie de la unión y por los conductores que conectan los terminales del transistor con los terminales exteriores. En algunos componentes se especifican los valores que puede soportar un dispositivo de manera continua. Estos valores que están condicionados por problemas térmicos pueden excederse durante tiempos muy cortos si exceder los valores promedio sin grandes contratiempos.

    Máxima potencia disipada

    La potencia que puede disipar un transistor esta condicionada por la máxima temperatura que puede soportar la unión semiconductora colector-base, ya que como en todo diodo la corriente inversa crece con la temperatura. Para que la temperatura de esta unión no supere los valores permitidos, que suele estar hacia 125 ºC en el silicio y los 85 ºC en el germanio, debe proveerse de dispositivos que extraigan al exterior el calor generado en las uniones. Los pequeños transistores discretos de silicio que se utilizan en circuitería electrónica, tienen una superficie semiconductora de 1 o 2 mm2 y pueden llegar a disipar 0,25 W de calor sin que la temperatura de la unión supere los valores permitidos. Acoplando un pequeño radiador unido térmicamente a la carcasa del transistor puede llegarse hasta 1 W. Los transistores de media potencia (de 1 a 25 w) suelen ser de mayor tamaño ( 4 a lo mm2 ) y disponen de tornillos para acoplarse térmicamente a radiadores. Los transistores de altas potencias (125 W y más) tienen superficies de semiconductor del orden de 25 mm2, soldadas a gruesas láminas de cobre con tornillos para una robusta fijación al radiador.

    El las características de los transistores de potencia se suele señalar una curva llamada área segura de trabajo, una combinación de voltaje y corriente colector emisor que en caso de superarse supone la destrucción del dispositivo.

    Tensión máxima

    Es la máxima tensión de polarización inversa que puede aplicarse al transistor. Este valor tiene que estar indicado para evitar que el transistor entre en la zona de ruptura, en la cual el dispositivo sería destruido por un exceso de tensión. Antes de que el transistor entre en la zona de ruptura, algunos transistores manifiestan un fenómeno singular conocido como avalancha. El transistor soporta sin grandes fugas una alta tensión mientras no circula corriente de base. Pero en el momento que comienza a circular una pequeña corriente por la base el transistor entra en conducción total. Si no existe limitación el la corriente de colector el transistor es destruido. Por el contrario, este fenómeno con limitación de corriente puede aprovecharse para obtener altos valores de corriente en generadores de pulsos para diodos láser y otras aplicaciones sofisticadas.

    Frecuencia de transición (Ft)

    Es una característica del comportamiento del transistor respecto a la frecuencia. La frecuencia de transición también llamado producto de ganancia por ancho de banda, determina el punto al cual la ganancia en corriente del transistor para esa frecuencia (bf) es la unidad. En otras palabras la frecuencia hasta la cual puede obtenerse ganancia de potencia del transistor cuando se emplea como amplificador. Con este parámetro se especifica la capacidad del transistor para trabajar a altas frecuencias.

    Tiempo de conmutación

    En circuitos lógicos o digitales, el transistor generalmente se encuentra en uno de dos estados, corte (no conduce) y saturación (conduce totalmente). El paso de un estado a otro no es instantáneo porque el transistor no es un dispositivo ideal, sino que requiere un tiempo. Cuanto menores son los tiempos para cambiar de estado, mas rápido es el transistor.

    TRANSISTORES UNIPOLARES

    El funcionamiento de los transistores bipolares expuesto anteriormente está basado en el movimiento de dos tipos de cargas, electrones y huecos, de ahí el prefijo ´bi-´; además, las uniones PN se polarizan en sentido directo e inverso. Otro tipo de transistores muy importante son los unipolares que se basan en el movimiento de un solo tipo de cargas, electrones o huecos, por ello el prefijo ´uni-´. En este tipo de transistor, las uniones PN se polarizan siempre en inverso. El funcionamiento de estos transistores es significativamente diferente a los bipolares.

    Los transistores unipolares se dividen en dos grupos, los transistores de unión de efecto de campo, JFET o FET, que a su vez se dividen en transistores de canal N y transistores de canal P, y los transistores metal-óxido-semiconductor de efecto de campo o MOSFET. Dentro de este grupo se distinguen dos subgrupos, MOSFET de enriquecimiento y MOSFET de empobrecimiento, que se dividen al igual que los FET en canal N y canal P. La figura a continuación muestra la simbología para los diferentes tipos de transistores.

    Transistores y conductores

    Símbolos de diferentes transistores de efecto de campo.

    Transistores JFET

    Este transistor está formado por una pastilla de semiconductor tipo N, en la cual se difunden dos zonas de semiconductor tipo P. La difusión puede hacerse utilizando una sola cara, o bien, utilizando ambas. En la figura siguiente se observa la estructura esquemática de este transistor. Si en lugar de utilizar una pastilla de semiconductor tipo N se utiliza una de P y se difunden dos zonas N, se obtiene un transistor FET de canal P.

    Transistores y conductores

    Esquema de un transistor de efecto de campo.

    Este transistor posee, al igual que el bipolar, 3 terminales, que se denominan fuente (source), drenaje (drain) y puerta (gate).

    Drenaje y fuente: Son los terminales que están unidos a la pastilla de semiconductor (N o P). Los portadores mayoritarios salen por el drenaje y entran por la fuente. Se denominan por las letras D y S respectivamente. La conducción entre estos dos terminales se comporta como la de una resistencia cuyo valor esta controlado por la tensión de puerta.

    Puerta: Se corresponde con las zonas difundidas. Se comporta como la de un diodo polarizado en inverso, por lo tanto presenta una alta resistencia de entrada y casi no circula corriente por ella. Si están las dos unidas interiormente y se tiene accesible un solo terminal, se tiene un FET de una puerta, y si están separadas, un transistor FET de dos puertas. La puerta se representa por la letra G del inglés gate.

    Los transistores FET tienen un comportamiento muy similar a las válvulas de vacío; se suele decir que son dispositivos de transconductancia en los que la corriente esta controlada por la tensión de puerta. Los componentes discretos se emplean en etapas de entrada de amplificadores operacionales por su alta impedancia de entrada, linealidad y bajo ruido. Los dispositivos de potencia se usan ventajosamente para sustituir transistores convencionales en las etapas de potencia ya que son mas rápidos, mas robustos y carentes de fenómenos de embalamiento térmico. Se emplean en conmutación de potencia debido a sus bajas resistencias internas de conducción.

    Transistores MOSFET

    La construcción y estructura de estos dispositivos es muy similar al FET e igualmente sus electrodos se denominan puerta, drenaje y fuente. La diferencia se encuentra en que la puerta está aislada del canal mediante una capa de óxido de silicio (SiO2). Estos transistores reciben, también, el nombre de IGFET (del inglés insulated gate, ´puerta aislada´).

    MOSFET de empobrecimiento. La estructura de este tipo de MOSFET está representada en la siguiente figura. En una pastilla de material N, se difunde una zona p denominada sustrato. En este caso se tiene un MOSFET canal P, si se hace a la inversa se obtendrá un MOSFET canal N. Este tipo de transistor apenas se utiliza, pero su importancia radica en que fue el primer paso para el MOSFET de enriquecimiento, de gran importancia en electrónica digital y en los ordenadores.

    Transistores y conductores

    Mosfet de empobrecimiento.

    MOSFET de enriquecimiento. La diferencia con el transistor de empobrecimiento esta en que en la pastilla de semiconductor N se difunden dos zonas tipo P, para el transistor de canal P.

    Transistores y conductores

    Corte esquemático de un transistor Mosfet.

    Los transistores MOSFET, se emplean ventajosamente en etapas amplificadoras y mezcladoras de radiofrecuencia. Dispositivos construidos con arseniuro de galio como material base se emplean en amplificadores de potencia en radiofrecuencia hasta frecuencias de más de 35 Ghz. Los pares complementarios CMOS constituyen el elemento básico de los circuitos integrados digitales de las familia lógica CMOS. Con esta tecnología se fabrican actualmente la mayoría de los circuitos digitales de los ordenadores personales.

    Transistor uniunión

    Éste es dispositivo muy peculiar relativamente poco utilizado, porque sólo encuentra aplicación en los osciladores de relajación. Consta de una barrita de material semiconductor tipo N (aunque este es el caso típico puede darse la configuración inversa) con dos terminales en sus extremos denominados base 1 y base 2. Aproximadamente en la mitad se realiza una unión de tipo P con otro terminal de salida denominado emisor. La barita semiconductora tiene pocos portadores y ofrece mucha resistencia al paso de la corriente mientras la unión está polarizada en sentido inverso lo que ocurre cuando el voltaje del emisor es inferior a 1/2 (Vb2-Vb1 0,65 V). Cuando el voltaje del emisor supera este umbral, intecta portadores hacia la base, con lo cual aumenta la conductividad de la barita y del diodo emisor-base1. Esta situación se mantiene en tanto no se corte la corriente a través de este diodo.

    Circuitos con transistores

    Circuitos de polarización de transistores

    Para que un transistor funcione, bien en la zona de amplificación, en la de corte o en la de saturación, debe estar polarizado adecuadamente. Existen dos tipos de polarización, la de base y la de emisor. La polarización de base se utiliza en circuitos digitales, en los cuales el transistor trabaja en corte o en saturación. La polarización de emisor se utiliza en circuitos amplificadores.

    Polarizacion de base

    La polarización de base se corresponde a un circuito como el de la figura 1 a). En este circuito se están utilizando dos fuentes de alimentación, pero usualmente sólo se dispone de una, con lo que el circuito pasa a tomar la forma representada en la figura 1 b).

     Transistores y conductores

    Fig 1. Polarización simplificada de un transistor.

    Este tipo de polarización tiene el inconveniente de la fluctuación del punto de funcionamiento, producido por la variación de la ganancia. La figura nº 2 muestra la característica de salida de un transistor con polarización de base, en la cual se ha dibujado la recta de carga, en la cual están situados todos los posibles puntos de funcionamiento del transistor.

    Para el cálculo de la recta de carga, únicamente hay que considerar:

    - Punto de corte con el eje de ordenadas. Es precisamente la corriente de satuación del transistor, para su calculo se debe de poner en cortocircuito los terminales colector-emisor y calcular la corriente que circula por el colector. Para los circuitos de las figura 1 este punto será Isat = Vcc/Rc.

    - Punto de corte con el eje de abscisas. Se corresponde con la tensión de corte o máxima tensión colector-emisor que se puede alcanzar. Para su cálculo, basta con abrir los terminales colector-emisor y calcular la tensión colector-emisor. Para el circuito considerado este valor es VCE(corte) = Vcc.

    Transistores y conductores

    Fig. 2. Característica de salida de un transistor.

    Teniendo en cuenta todo lo anterior, a continuación se estudia la variación el punto de funcionamiento con la ganancia.

    Considérense, en primer lugar, que el circuito de la figura nº 1 posee una ganancia b, para unas condiciones determinadas. El punto de funcionamiento Q vendrá dado por una corriente de colector Ic =b .IB y por una tensión colector emisor, VCE = Vcc - Rc. b .IB, tal como se muestra en la figura nº 2. Supóngase ahora que, por efecto de la temperatura, la ganancia toma un valor b´ < b . En estas condiciones se tiene un nuevo punto de funcionamiento Q´ tal que Ic´ = b´.IB y VCE´= Vcc - Rc. b´.IB, como Ic´< Ic se tiene que VCE´> VCE.

    La ganancia de un transistor varía a causa de las tolerancias de fabricación, de la temperatura y de las condiciones de funcionamiento del propio transistor. Debido a esto en las hojas de características aparece un valor máximo y uno mínimo para la ganancia en corriente continua. Esto no es adecuado para la producción en serie. Lo que se necesita es un circuito de polarización en el cual su punto de funcionamiento se puede predecir independientemente de los cambios de temperatura del transistor, etc. Este circuito es la polarización de emisor.

    Un circuito con transistores que tenga polarización de base tiene sus aplicaciones en los circuitos digitales y de conmutación; o sea, en aquellos que no importa el valor exacto de la ganancia de corriente. Pero cuando se quieren amplificadores, es necesario un circuito de polarización que sea inmune a las variaciones de la ganancia de corriente.

    Porarización de emisor

    Este circuito tiene el aspecto básico de la figura 3. Con este diseño el punto de funcionamiento no fluctúa con las variaciones de ganancia.

    Transistores y conductores

    Fig 3. Estabilización con resistencia de emisor.



    Si en esta caso se calcula los puntos de funcionamiento para dos ganancias diferentes, b y b´, se verá que el punto de funcionamiento no varia.

    Punto de funcionamiento para ganancia b.

    Teniendo en cuenta que Ic es aproximadamente igual a IE, se tiene un valor para la corriente de emisor: IE = VBB/ RE, considerando el diodo del emisor como ideal. En caso de que se considere que caen en el emisor 0.7 v, el numerador de la expresión anterior valdría VBB - 0.7

    La tensión colector-emisor viene dada por la expresión:

    VCE = Vcc - IC·VBB- 0.7

    - Punto de funcionamiento para ganancia b´.

    Como para este circuito IE es constante, para este nuevo valor de ganancia, se tiene el mismo valor de corriente de emisor, luego el punto de funcionamiento permanece constante.

    Aunque se considere que

    IC = (B / B + 1) · IE

    se puede demostrar que el punto de funcionamiento permanece practicamente constante para grandes variaciones de b.

    Polarización con divisor de tensión

    En ocasiones, la tensión de la fuente de alimentación es demasiado elevada para aplicarla directamente en la base del transistor. Como diseñar otra fuente es demasiado costoso se recorre a la utilización de un divisor de tensión. Lo que se hace es intercalar resistencias para reducir el nivel de tensión. El circuito de la figura 4 muestra un circuito de polarización de emisor por división de tensión. Se puede observar, que la tensión que se aplica en este caso entre base y masa es la que cae en la resistencia R2.

    En este circuito con Vcc, R1, R2 y Rc se controla la corriente de saturación y la tensión de corte. Una vez elegidos estos valores, se elige la resistencia del emisor para situar el punto de funcionamiento Q a lo largo de cualquier punto de la recta.

    Transistores y conductores

    Fig 4. Polarización con divisor de tensión.

    Circuitos amplificadores

    Cuando un transistor se ha polarizado con un punto de funcionamiento próximo al punto medio de la recta de carga, y se aplica una pequeña señal alterna a la base del transistor, en el colector se tiene la misma señal que en la base, pero de con una amplitud mayor. Antes de pasar a ver el funcionamiento básico de un circuito amplificador, conviene tener claros los conceptos de condensador de acoplo y desacoplo que se exponen a continuación.

    Acoplo por condensadores

    La oposición que presenta un condensador al paso de la corriente depende de su frecuencia. Esto se puede justificar porque:

    iX = 1 / (2pfC)

    y como se observa en la expresión a mayor frecuencia menor Xc. Según esto, un condensador a altas frecuencias se comporta como un cortocircuito y a bajas como un circuito abierto, si se considera alta frecuencia a un valor 10 superior a la frecuencia de corte.

    Condensador de acoplo. Un condensador de acoplo transmite una señal de alterna de un nudo a otro del circuito. La figura 5 muestra un condensador de acoplo. El condensador debe comportarse como un cortocircuito para alterna, a la frecuencia más baja que pueda tener el generador, es decir, si se tiene un generador que varia entre 100 Hz y 10 KHz, el condensador tiene que ser un cortocircuito para la frecuencia de 100 Hz.

    Transistores y conductores

    Fig. 5. Condensador de acoplo.

    Condensador de desacoplo. La figura 6 representa un condensador de desacoplo. Lo que se consigue con este montaje es que la corriente alterna no pase por la resistencia. Como el condensador es un cortocircuito para altas frecuencias la corriente alterna fluye por él y se deriva a tierra.

    Transistores y conductores

    Fig. nº 6. Condensador de desacoplo

    Circuito en emisor común

    La figura 7 representa un amplificador en emisor común. En este circuito, la tensión colector-emisor es la misma que Vg, pero de mayor amplitud. Hay que tener claro que en este circuito hay dos tipos de tensión, continua y alterna. El circuito tiene un comportamiento diferente para cada una de ellas. Para continua, todos los condensadores son circuitos abiertos, y para alterna, todos son cortocircuitos.

    La fuente de señal Vg está aplicada a la base del transistor através del condensador C1. En el emisor se tiene una señal igual a la de la base y en fase con ella. La corriente de señal que circula por el colector, se puede considerar igual a la del emisor. Cuando esta corriente circula por Rc, produce una señal en el colector. Esta señal amplificada está desfasada 180º con respecto a la tensión de entrada.

    Se define como ganancia de tensión de un amplificador al cociente entre la tensión de salida y la de entrada.

    Transistores y conductores

    Fig 7. Circuito en emisor común.