CAPÍTULO 1

SEMICONDUCTORES

1.1 ANTECEDENTES HISTÓRICOS DE LOS SEMICONDUCTORES. La electrónica se inició con el descrubimiento fortuito por el norteamericano Thomas Edison de una luz azulada en el filamento incandescente de la lámpara eléctrica que el había inventado en 1883. El inglés Sir William Thomson, lord Kelvin, descrubió, al hacer experimentos con los rayos catódicos, los efectos producidos por partículas con carga eléctrica negativa y dio a estas últimas el nombre de electrones. Unos años más tarde, un físico de la misma nacionalidad, Sir Owen Richardson, demostró que el efecto Edison se debía también a estas partículas, que, a causa del calor y de la diferencia de potencial entre los dos extremos del filamento, se liberaban y atravesaban el vacío de la bombilla. El ingeniero británico Sir John Ambrose Fleming aplicó el efecto Edison a un tubo para detectar las ondas hertzianas e inventó así el diodo, primer tubo electrónico en el que se había hecho el vacío y en cuyo interior existía un ánodo (electrodo positivo) y un cátodo (electrodo negativo). Este último, al alcanzar el estado de incandescencia, emitía electrones con carga negativa que eran atraídos por el ánodo; es decir, el diodo actuaba como una válvula que sólo dejaba pasar la corriente en un sentido. Para comprender cómo funcionan los diodos, los transistores y los circuitos integrados es necesario estudiar los materiales semiconductores: componentes que no se comportan ni como conductores ni como aislantes. Los semiconductores poseen algunos electrones libres, pero lo que les confiere un carácter especial es la presencia de huecos. El cobre es un buen conductor. La razón es evidente si se tiene en cuenta su estructura atómica, como se ve en la Figura 1-1. El núcleo o centro del átomo contiene 29 protones (cargas positivas). Cuando un átomo de cobre tiene carga neutra, 29 electrones (cargas negativas) se disponen alrededor del núcleo. Los electrones viajan en distintas orbitales. Hay 2 electrones en el primer orbital, 8 electrones en el segundo, 18 en el tercero y 1 en el orbital exterior. -

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+29

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Figura 1-1. Átomo de cobre.

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El núcleo atómico atrae a los electrones orbitales, como se ve en la Figura 1-2. Éstos no caen hacia el núcleo debido a la fuerza centrífuga creada por su movimiento orbital. Cuando un electrón se halla en un orbital estable, la fuerza centrífuga equilibra exactamente la atracción eléctrica ejercida por el núcleo. Cuanto más lejana es la orbita de un electrón menor es la atracción del núcleo, ya que estos se mueven a menor velocidad, produciendo menos fuerza centrífuga y prácticamente no se siente atraído hacia el núcleo.

Figura 1-2. Diagrama de la parte interna de un átomo de cobre.

Como el último electrón, llamado también de valencia, es atraído muy débilmente por la parte interna del átomo, una fuerza externa puede arrancar fácilmente este electrón, al que se le conoce como electrón libre, y, por esta razón, el cobre es un buen conductor. Los mejores conductores (plata, cobre y oro) tienen un electrón de valencia, mientras que los mejores aislantes poseen ocho electrones de valencia. Un semiconductor es un elemento con propiedades eléctricas entre las de un conductor y las de un aislante. Como cabría esperar, los mejores semiconductores tienen cuatro electrones de valencia. El germanio es un ejemplo de semiconductor. Tiene cuatro electrones en su orbital de valencia. Hace algunos años el germanio era el único material adecuado para la fabricación de dispositivos semiconductores. Sin embargo, estos dispositivos tenían un grave inconveniente, que no pudo ser resuelto por los ingenieros: su excesiva corriente inversa. Más tarde, otro semiconductor, el silicio, se hizo más práctico dejando obsoleto al germanio en la mayoría de las aplicaciones electrónicas. Después del oxígeno, el silicio es el elemento más abundante de la tierra. Sin embargo, existieron algunos problemas que impidieron su uso en los primeros días de los semiconductores. Una vez resueltos, las ventajas del silicio lo convirtieron inmediatamente en el semiconductor a elegir. Sin él, la electrónica moderna, las comunicaciones y las computadoras serían imposibles. 6

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Un átomo de silicio aislado tiene 14 protones y 14 electrones, tal como se muestra en la Figura 1-3. Los 4 electrones en el orbital de valencia indican que el silicio es un semiconductor. -

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+14

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Figura 1-3. Átomo de silicio.

Cuando los átomos de silicio se combinan para formar un sólido, lo hacen en una estructura ordenada llamada cristal. Cada átomo de silicio comparte sus electrones de valencia con los átomos de silicio vecinos, de tal manera que tiene 8 electrones en el orbital de valencia. Figura 1-4.

Figura 1-4. Un átomo de un cristal tiene 4 vecinos.

Debido a estos enlaces, un cristal de silicio es un casi un aislante perfecto a temperatura ambiente (aproximadamente 25oC). La temperatura ambiente es la temperatura del aire circundante. Cuando dicha temperatura es mayor que el cero absoluto (-273oC), la energía térmica del aire circundante hace que los átomos en un cristal de silicio vibren dentro del cristal. Cuanto mayor sea la temperatura, más intensas serán las vibraciones mecánicas de estos átomos. Si se toca un objeto, el calor que transmite proviene de la vibración de los átomos. 7

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Las vibraciones de los átomos de silicio pueden, ocasionalmente, hacer que se desligue un electrón del orbital de valencia. Cuando esto sucede, el electrón liberado gana la energía suficiente para situarse en un orbital de nivel energético mayor, como se muestra en la Figura 1-5. En dicho orbital, el electrón es un electrón libre. La salida del electrón deja un vacío, que se denomina hueco, en el orbital de valencia (Figura 1-5), y que se comporta como una carga positiva porque la pérdida de un electrón produce un ión positivo.

Figura 1-5. La energía térmica produce un electrón y un hueco.

En un cristal de silicio puro se crean igual número de electrones libres que de huecos debido a la energía térmica. Los electrones libres se mueven de forma aleatoria a través del cristal. En ocasiones, un electrón libre se aproximará a un hueco, será atraído y caerá hacia él. Esta unión de un electrón libre y de un hueco se llama recombinación. El tiempo que transcurre entre la creación y la desaparición de un electrón libre recibe el nombre de tiempo de vida, que varía desde unos cuantos nanosegundos a varios microsegundos, según la perfección del cristal y otros factores. Un semiconductor intrínseco es un semiconductor puro. Un cristal de silicio es un semiconductor intrínseco si cada átomo del cristal es un átomo de silicio. A temperatura ambiente, un cristal de silicio se comporta más o menos como un aislante, ya que tiene unos cuantos electrones libres y sus huecos correspondientes producidos por la energía térmica que posee dicho cristal. La Figura 1-6 muestra parte de un cristal muestra parte de un cristal de silicio situado entre dos placas metálicas cargadas. Supóngase que la energía térmica ha producido un electrón libre y un hueco. El electrón libre se halla en un orbital de mayor energía en el extremo derecho del cristal. Debido a que el electrón está cerca de la placa cargada negativamente, es repelido por ésta, de 8

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forma que se desplaza hacia la izquierda de un átomo a otro hasta que alcanza la placa positiva.

Figura 1-6. Flujo de un hueco a través de un semiconductor.

En la Figura 1-6 se puede observar un hueco a la izquierda de la misma. Este hueco atrae al electrón de valencia del punto A, lo que provoca que dicho electrón se desplace hacia el hueco. Cuando el electrón de valencia en el punto A se mueve hacia la izquierda, crea un nuevo hueco en este punto. El efecto es el mismo que si el hueco original se desplazara hacia la derecha. El nuevo hueco en el punto A puede atraer y capturar otro electrón de valencia. Una forma de aumentar la conductividad de un semiconductor es mediante el dopaje. El dopaje es añadir, deliberadamente, átomos de impurezas a un cristal intrínseco para modificar su conductividad eléctrica. Un semiconductor dopado se llama semiconductor extrínseco. Para dopar un cristal de silicio primero se debe fundir el mismo para romper los enlaces covalentes y cambiar el estado del silicio de sólido a líquido. Con el fin de aumentar el número de electrones libres, se añaden átomos pentavalentes al silicio fundido. Los átomos pentavalentes tienen 5 electrones en el orbital de valencia. El arsénico, el antimonio y el fósforo son ejemplos de átomos pentavalentes. Como estos materiales donarán un electrón extra al cristal de silicio se les conoce como impurezas donadoras. La Figura 1-7 representa cómo queda el cristal de silicio después de enfriarse y volver a formar su estructura de cristal sólido. En el centro se halla un átomo pentavalente rodeado por cuatro átomos de silicio. Como antes, los átomos vecinos comparten un electrón con el átomo central, pero en este caso queda un

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electrón adicional. Este electrón queda en un orbital mayor, por tanto, se trata de un electrón libre. Electrón libre

Figura 1-7 Dopaje para obtener más electrones libres.

Para aumentar el número de huecos, se contamina el cristal de silicio con impurezas trivalentes; es decir, impurezas cuyos átomos tengan solo 3 electrones de valencia, como, por ejemplo, el aluminio, el boro o el galio. La Figura 1-8 muestra un átomo trivalente en el centro. Está rodeado por cuatro átomos de silicio, cada uno compartiendo uno de sus electrones de valencia. Como el átomo trivalente tenía al principio sólo 3 electrones de valencia y comparte un electrón con cada uno de sus vecinos, hay sólo 7 electrones de valencia. Esto significa que aparece un hueco en el orbital de valencia de cada átomo trivalente. Un átomo trivalente se denomina también átomo aceptor, porque cada uno de los huecos con que contribuye puede aceptar un electrón libre durante la recombinación.

Figura 1-8. Dopaje para obtener más huecos.

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Debido a que existen cristales con mayor número de electrones libres o con mayor número de huecos, existen dos tipos de semiconductores extrínsecos. En el semiconductor tipo n, el silicio ha sido dopado con una impureza pentavalente. En la figura 1-9 se muestra un semiconductor tipo n. Como los electrones superan a los huecos, reciben el nombre de portadores mayoritarios, mientras que a los huecos se les denomina portadores minoritarios. --------------------------------------------------------+++++++++++

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Figura 1-9. Semiconductor tipo n.

Al aplicarse una tensión, los electrones libres dentro del semiconductor se mueven hacia la izquierda y los huecos lo hacen hacia la derecha. Cuando un hueco llega al extremo derecho del cristal, uno de los electrones del circuito externo entra al semiconductor y se recombina con el hueco. Los electrones libres circulan hacia el extremo izquierdo del cristal, donde entran al conductor para circular hacia la terminal positiva de la batería. En el semiconductor tipo p, el silicio ha sido dopado con impurezas trivalentes. En la Figura 1-10 se muestra un semiconductor tipo p. Como el número de huecos supera al número de electrones libres, los huecos son los portadores mayoritarios y los electrones libres son los minoritarios. +++++++++++ +++++++++++ +++++++++++ +++++++++++ ---------------

Figura 1-10. Semiconductor tipo p.

Al aplicarse una tensión, los electrones libres se mueven hacia la izquierda y los huecos lo hacen hacia la derecha. Cuando los huecos llegan al extremo derecho del cristal, se recombinan con los electrones libres del circuito externo. 11

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Los electrones libres dentro del semiconductor circulan de derecha a izquierda. Como hay muy pocos portadores minoritarios, su efecto es casi despreciable en este circuito. Por sí mismo, un cristal semiconductor tipo n tiene la misma utilidad que una resistencia de carbón; lo que también se puede decir de un semiconductor tipo p. Pero ocurre algo nuevo cuando un fabricante dopa un cristal de tal manera que una mitad sea tipo p y la otra mitad sea tipo n. La separación o frontera física entre un semiconductor tipo n y uno tipo p se llama unión pn. Esta unión tiene propiedades tan útiles que ha propiciado toda clase de inventos, entre los que se encuentra los diodos, los transistores y los circuitos integrados. Comprender la unión pn permite entender toda clase de dispositivos fabricados con semiconductores.

1.2 PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO Y APLICACIONES DEL DIODO. En la Figura 1-11 se ve una fuente de voltaje de C.C. conectada a un diodo. La terminal negativa de la fuente está conectado al material tipo n, y la terminal positiva al material tipo p. Esta conexión se llama polarización directa. p

n

+

+

-

-

+

+

-

+

+ -

+ -

+

+

-

+

+ -

+ -

-

-

-

+

+

+

Figura 1-11. Polarización directa.

Si la tensión en la fuente es menor que la barrera de potencial; que es aquella que se forma en la unión pn cuando los electrones libres del material tipo n y los huecos del tipo p se recombinan, este fenómeno crea una diferencia de potencial entre los materiales, cuyo valor es de 0.3 V para el germanio y de 0.7 V para el silicio; los electrones libres no tienen suficiente energía para atravesarla. Cuando entran en esta zona, los iones se ven empujados de regreso a la zona n. A causa de esto no circula corriente a través del diodo.

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Cuando la fuente de tensión continua es mayor que la barrera de potencial, la batería empuja de nuevo huecos y electrones libres hacia la unión. Esta vez los electrones libres tienen suficiente energía para pasar a través de la barrera de potencial y recombinarse con los huecos. Como los electrones libres entran continuamente se crean huecos en el extremo izquierdo, existe una corriente continua a través del diodo. Si se invierte la polaridad de la fuente de voltaje de continua, entonces el diodo queda polarizado en inversa, como se muestra en la Figura 1-12. En este caso la terminal negativa de la fuente se encuentra conectado al material tipo p y la terminal positiva al material tipo n. Esta conexión se denomina polarización inversa. p

n

+

+

-

-

+

+

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+

+ -

+ -

+

+

-

+

+ -

+ -

-

-

-

+

+

+

Figura 1-12. Polarización inversa.

La terminal negativa de la batería atrae los huecos y la terminal positiva los electrones libres; por ello, los huecos y los electrones libres se alejan de la unión; como resultado, la barrera de potencial se ensancha. Por esta razón no existe un flujo de corriente a través del diodo. Figura 1-13. p

n

+

+

-

-

+

+

-

+

+ -

+ -

+

+

-

+

+ -

+ -

-

-

-

+

+

+

Figura 1-13. Ensanchamiento de la barrera de potencial.

Incluso con polarización inversa existe una pequeña corriente. Hay que recordar que la energía térmica crea continuamente pares de electrones libres y huecos, lo que significa que a ambos lados de la unión existen pequeñas 13

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concentraciones de portadores minoritarios. La mayor parte de estos se recombinan con los portadores mayoritarios, pero los que se hallan dentro de la barrera de potencial, también conocida como zona de deplexión, pueden vivir lo suficiente para cruzar la unión. Cuando esto sucede, por el circuito externo circula una pequeña corriente, esta recibe el nombre de corriente inversa de saturación. Además de la corriente inversa de saturación existe otra pequeña corriente que circula sobre la superficie del cristal, la cual es causada por impurezas en la superficie del cristal e imperfecciones en su estructura interna. Esta corriente recibe el nombre de corriente superficial de fugas. Los diodos admiten unos valores máximos en las tensiones que se les aplican. Por tanto existe un límite para la tensión máxima en inversa con que se puede polarizar un diodo sin correr el riesgo de destruirlo. Si se aumenta continuamente la tensión inversa, llegará un momento en que se alcance la tensión de ruptura del diodo. La Figura 1-14 representa el símbolo eléctrico de un diodo. El lado p se llama ánodo y el lado n es el cátodo. El símbolo del diodo es una flecha que apunta del lado p al lado n, es decir, del ánodo al cátodo.

Figura 1-14. Símbolo eléctrico del diodo.

La aplicación de este diodo, conocido como diodo común, es la de rectificar la corriente alterna, es decir, acercarla lo más posible a la corriente continua. Esta función se estudiará ampliamente en el capítulo 3. Existen otros tipos de diodos de uso específico, tales como el diodo zener, el diodo Schttoky, los varicaps, el LED, etc.

1.2.1 EL DIODO ZENER. Los diodos rectificadores nunca se emplean intencionadamente en la zona de ruptura, ya que esto podría dañarlos. Un diodo zener es diferente; se trata de un diodo de silicio que se ha diseñado para que funcione en la zona de ruptura. Llamado a veces diodo de avalancha, el diodo zener es la parte esencial de los reguladores de tensión; éstos son circuitos que mantienen la tensión casi constante con independencia de que se presenten grandes variaciones de la 14

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tensión de red y de la resistencia de carga. Su símbolo se muestra en la Figura 115.

Figura 1-15. Símbolo eléctrico del diodo zener.

El diodo zener recibe a veces el nombre de diodo regulador de tensión porque mantiene la tensión entre sus terminales constante, incluso cuando la corriente sufra cambios. En condiciones normales, el diodo zener debe tener polarización inversa, como se ve en la Figura 1-16. Además, para trabajar en la zona de ruptura (también conocida como zona zener), la tensión de la fuente V s debe ser mayor que la tensión de ruptura Vz. Siempre se emplea una resistencia Rs, para limitar la corriente. En caso contrario, el diodo zener se quemaría, como cualquier dispositivo que disipe excesiva potencia. Rs

Vs

Vz

Figura 1-16. Circuito básico de un regulador zener.

En la Figura 1-16, la tensión en la resistencia en serie o resistencia limitadora de corriente es igual a la diferencia entre la tensión de la fuente y la tensión zener. Por lo tanto, la corriente en la resistencia es: Is =

Vs − V z Rs

(1-1)

Si ya se tiene el valor de la corriente en serie, se tiene también el valor de la corriente zener, ya que el circuito de la Figura 1-16 es un circuito serie. En la Figura 1-17 se muestra un regulador zener con carga. El diodo zener funciona en la zona de ruptura y mantiene constante la tensión en la carga. Incluso cuando la tensión en la fuente cambie o la resistencia de carga varíe, la tensión en la carga sigue estando fija e igual a la tensión zener.

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Rs

Vs

Vz

RL

Figura 1-17. Regulador zener con carga.

Para saber si el zener se encuentra en la zona de ruptura se debe encontrar la tensión Thevenin que ve el diodo con la siguiente fórmula: VTH =

RL Vs Rs + RL

(1-2)

Éste es la tensión que hay cuando el diodo zener está desconectado del circuito. Esta tensión tiene que ser mayor que la tensión zener; en caso contrario, el diodo no llegaría a polarizarse en la zona de ruptura. La corriente que circula por la resistencia en serie está dada por: V −Vz Is = s Rs

(1-3)

Idealmente, la tensión en la carga es igual a la tensión zener, ya que la resistencia de carga está en paralelo con el diodo zener. VL =Vz

(1-4)

Esto permite aplicar la ley de Ohm para calcular la corriente por la carga: V IL = L (1-5) RL Por la ley de Kirchhoff de las corrientes: Is = Iz +IL

(1-6)

El diodo zener y la resistencia de carga están en paralelo. La suma de sus corrientes tiene que ser igual a la corriente total, que es la misma corriente que circula por la resistencia serie. Expresando esta relación de otra manera se obtiene la siguiente ecuación: Iz = Is −IL

(1-7)

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Esta ecuación indica que la corriente zener ya no es igual a la corriente en serie, como sucede en el regulador zener sin carga. Debido a la resistencia de carga, la corriente zener en este caso es igual a la corriente en serie menos la corriente por la carga. Ejemplo 1-1. ¿Está el diodo zener de la Figura 1-18 funcionando en la zona de ruptura? ¿Cuál es el valor de la corriente zener en la misma figura? 270 Ω

18 V

10 V

1 kΩ

Figura 1-18. Ejemplo.

Solución: Utilizando la ecuación (1-2): VTH =

1kΩ (18V ) = 14 .2V 270 Ω +1kΩ

Como esta tensión Thevenin es mayor que la tensión zener, el diodo zener funciona en la zona de ruptura. Utilizando la ecuación (1-1): Is =

18V −10V = 29 .6mA 270 Ω

Como la tensión en la carga es la misma que la tensión zener, es decir 10 V, la corriente por la carga es: IL =

10V = 10 mA 1kΩ

La corriente zener es la diferencia de las dos corrientes: I z = 29 .6mA −10 mA = 19 .6mA

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La disipación de potencia de un diodo zener es igual al producto de su tensión por su corriente: Pz =Vz I z

(1-8)

Para este ejemplo: Pz = (10V )(19 .6mA ) = 196 mW

1.2.2 EL DIODO EMISOR DE LUZ (LED). En la Figura 1-19 se ve una fuente conectada a una resistencia y un LED. Las flechas que salen simbolizan la luz radiada. En un LED con polarización directa los electrones libres atraviesan la unión y caen en los huecos. Como caen de niveles energéticos altos a niveles bajos, emiten energía. En los diodos normales esta energía se disipa en forma de calor, pero en un LED lo hace en forma de luz. Los LED’s han sustituido a las lámparas incandescentes en muchas aplicaciones porque necesitan muy poco voltaje, tienen una larga vida y conmutan muy rápido. Rs

Vs

VD

Figura 1-19. Circuito básico de un indicador LED.

Empleando elementos como el galio, el arsénico y el fósforo, un fabricante puede producir LED’s que emitan luz roja, verde, amarilla, azul, naranja, infrarroja o ultravioleta; estas dos últimas invisibles. Los LED’s que producen luz visibles son útiles en los instrumentos, las calculadoras, etc., mientras que los de luz infrarroja y ultravioleta tienen aplicaciones en sistemas de alarma antirrobos, reproductores de CD y otros dispositivos en los que se requiera luz invisible.

1.2.3 EL FOTODIODO. Como ya se ha dicho, uno de los componentes de la corriente inversa en un diodo es el flujo de portadores minoritarios. La existencia de estos portadores se

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debe a que la energía térmica está continuamente desligando electrones de valencia de sus orbitales, produciendo durante este proceso electrones libres y huecos. El tiempo de vida de los portadores minoritarios es corto, pero mientras existen pueden contribuir a la corriente inversa. Cuando la energía luminosa se proyecta sobre una unión pn, puede desligar electrones de valencia. Cuanta mayor intensidad de luz incida sobre la unión, mayor será la corriente inversa del diodo. Un fotodiodo es un diodo cuya sensibilidad a la luz es máxima. En este tipo de diodos, una ventana permite que la luz pase por el encapsulado hasta la unión. La luz incidente produce electrones libres y huecos. Cuanto más intensa sea la luz, mayor será el número de portadores minoritarios y mayor será la corriente inversa. La Figura 1-20 muestra el símbolo de un fotodiodo. Las flechas representan la luz incidente.

Figura 1-20. La luz incidente incrementa la corriente inversa en el fotodiodo.

1.2.4 EL DIODO LÁSER. En un LED los electrones libres radian luz cuando caen de niveles energéticos superiores a niveles inferiores y lo hacen de manera aleatoria y continua, produciendo longitudes de onda con fases entre 0 y 360 grados. La luz que tiene muchas fases diferentes se llama luz no coherente, por consiguiente, un LED produce luz no coherente. Un diodo láser es diferente en este aspecto, ya que produce luz coherente, lo que significa que todas las ondas luminosas están en fase entre sí. La idea básica de un diodo láser consiste en usar una cámara resonante con espejos que refuerza la emisión de ondas luminosas a la misma frecuencia y fase. A causa de esta resonancia, un diodo láser produce un haz de luz estrecho que es muy intenso, enfocado y puro. El diodo láser también se conoce como láser semiconductor. Estos diodos pueden producir luz visible (roja, verde o azul) y luz invisible (infrarroja). Se usan

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en productos de consumo y comunicaciones de banda ancha. Entre los primeros se pueden encontrar diodos láser en reproductores de discos compactos e impresoras láser. En comunicaciones de banda ancha se usan con cables de fibra óptica para incrementar la velocidad en Internet.

1.2.5 EL DIODO SCHOTTKY. A medida que la frecuencia aumenta, el funcionamiento de los diodos rectificadores de pequeña señal empieza a deteriorarse. Ya no son capaces de conmutar lo suficientemente rápido como para producir una señal de media onda bien definida. La solución a este problema es el diodo Schttoky. Figura 1-21.

Figura 1-21. Diodo Schttoky.

Este tipo de diodo usa un metal como el oro, la plata o el platino en un lado de la unión y silicio dopado (generalmente tipo n) en el otro. El metal a un lado de la unión provoca que el diodo Schttoky no tenga zona de deplexión, y dicha carencia significa que no hay cargas almacenadas en la unión. Cuando un diodo Schttoky no tiene polarización, los electrones libres en el lado n se hallan en orbitales más pequeños que los electrones libres del lado metálico. A la diferencia en el tamaño de los orbitales se le llama barrera Schttoky, aproximadamente 0.25 V. Si el diodo tiene polarización directa, los electrones libres de lado n pueden ganar la energía suficiente para moverse en orbitales mayores. Por ello, los electrones libres pueden atravesar la unión y penetrar en el metal, produciendo una gran corriente de polarización directa. Como el metal no tiene huecos, no hay almacenamiento y tampoco hay tiempo de recuperación inverso, que es el tiempo que se tarda un diodo en polarización directa se corte, o sea, deje de conducir. Cuando se usa en un circuito como en el de la Figura 1-22a, el diodo Schttoky produce una señal de media onda perfecta, como la de la Figura 1-22b, incluso con frecuencias superiores a los 300 MHz.

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V

V

t

(a)

(b)

Figura 1-22. Los diodos Schttoky funcionan a altas frecuencias. a) Circuito básico; b) Señal de media onda a 300 MHz.

Las aplicaciones más importantes de los diodos Schttoky se hallan en las computadoras digitales.

1.2.6 EL VARICAP. Este diodo (también llamado condensador controlado por tensión, epicap y diodo de sintonía) se usa mucho en receptores de televisión, receptores de FM y otros circuitos de comunicaciones porque se puede emplear para sintonización electrónica. Las zonas p y n de cualquier diodo actúan como las placas de un condensador, y la zona de deplexión es como el dieléctrico. Cuando un diodo se polariza en inversa, la anchura de la zona de deplexión aumenta. Como la zona de deplexión se ensancha cuando la tensión inversa aumenta, la capacidad disminuye, como si las placas del condensador se separasen. El resultado es que la capacidad está controlada por la tensión. La Figura 1-23 muestra el símbolo de un varicap.

Figura 1-23. Símbolo del varicap.

1.2.7 EL DIODO TÚNEL. La Figura 1-24 muestra el símbolo para un diodo túnel. En este tipo de diodos se presenta un fenómeno conocido como resistencia negativa. Esto significa que un aumento de la tensión de polarización directa produce una 21

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disminución en la corriente directa. La resistencia negativa de los diodos túnel es útil en determinados circuitos de alta frecuencia llamados osciladores. Estos circuitos pueden generar una señal sinusoidal similar a la producida por un generador de alterna, pero a diferencia de este, que convierte energía mecánica en una señal sinusoidal, un oscilador convierte corriente continua en una señal sinusoidal.

Figura 1-24. Símbolo del diodo túnel.

1.2.8 EL VARISTOR. Los relámpagos, los fallos en la red eléctrica, etc., pueden afectar a la tensión de red superponiendo valles, picos y otros transitorios a los 120 V rms normales. Los valles son caídas de tensión bruscas que duran microsegundos o menos. Los picos son sobretensiones de duración muy corta, de hasta 2000 V o más. En algunos equipos se usan filtros entre la línea y el primario del transformador para eliminar los problemas ocasionados por los transitorios de la línea. Uno de los dispositivos empleados para el filtrado en la línea es el varistor. Este dispositivo equivale a dos diodos zener opuestos, como se muestra en la Figura 1-25, con una gran tensión de ruptura en ambas direcciones. Los varistores se encuentran comercialmente con tensiones de ruptura entre 10 y 1000 V. Pueden manejar corrientes transitorias de pico de cientos o miles de amperios.

Figura 1-25. El varistor.

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1.3 EL TRANSISTOR. En 1951 William Schockley inventó el primer transistor de unión, un dispositivo semiconductor que permite amplificar señales electrónicas tales como señales de radio y de televisión.

1.3.1 EL TRANSISTOR BIPOLAR. Un transistor tiene tres zonas de dopaje; que pueden ser dos tipo p y uno n, o uno p y dos n; su símbolo se muestra en la Figura 1-26.

(a)

(b)

Figura 1-26. Símbolo del transistor. a) Tipo pnp; b) Tipo npn.

El transistor pnp es el que consta de un material tipo n entre dos tipo p; y el npn es que tiene un material tipo p entre dos tipo n. La terminal de en medio del transistor recibe el nombre de base, la terminal que presenta la flecha se llama emisor y la terminal que queda recibe el nombre de colector. En el capítulo 2 se estudiará a fondo el funcionamiento del transistor, así como sus características y aplicaciones.

1.3.2 EL TRANSISTOR UNIPOLAR (FET). El transistor bipolar basa su funcionamiento en dos tipos de carga: electrones y huecos. Por este motivo se denomina bipolar. El FET es un dispositivo unipolar porque su funcionamiento depende sólo de un tipo de carga, ya sea en electrones libres o huecos. Hay dos tipos de transistores unipolares: JFET y MOSFET.

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1.3.2.1 EL TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO DE UNIÓN (JFET). La Figura 1-27a muestra una sección de semiconductor tipo n. El extremo inferior se llama fuente (source) y el superior drenador (drain). La fuente de alimentación VDD obliga a los electrones libres a circular desde la fuente hacia el drenador. Para producir un JFET, el fabricante difunde dos áreas de semiconductor tipo p en el semiconductor tipo n, como se muestra en la Figura 127b. Estas dos áreas p están conectadas internamente para tener una sola terminal de conexión externa llamada puerta (gate).

D renador

p

p

n

n

VDD Puerta

n

F uente

(a)

(b)

Figura 1-27. a) Parte del JFET; b) JFET de puerta única.

La Figura 1-28 muestra la manera normal de polarizar un JFET. La tensión de alimentación del drenador es positiva y la de la puerta negativa. El término de efecto de campo se relaciona con las zonas de deplexión que rodean a cada zona p. Las uniones entre cada zona p y las zonas n tienen capas de deplexión debido a que los electrones libres se difunden desde las zonas n en las zonas p. La recombinación de los electrones libres y los huecos crea las zonas de deplexión mostradas por las áreas sombreadas. D renador

n

VGG

p

p

Puerta

VDD

n F uente

Figura 1-28. Polarización normal del JFET.

En la Figura 1-28, los electrones que circulan desde la fuente hacia el drenador deben pasar a través del estrecho canal situado entre las dos zonas de 24

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deplexión. Cuanto más negativa sea la tensión de puerta, más se expande la capa de deplexión y más estrecho será el canal de conducción. En otras palabras, la tensión de puerta puede controlar la corriente a través del canal. Cuanto más negativa sea la tensión de puerta, menor será la corriente entre la fuente y el drenador. En la Figura 1-29 se muestra el símbolo eléctrico de un JFET de canal n y otro de canal p. Se le llama de canal n debido a que el canal entre la fuente y el drenador es de tipo n; lo mismo se aplica para el canal tipo p. Drenador

Puerta

Drenador

Puerta

Fuente

(a)

Fuente

(b)

Figura 1-29. Símbolo eléctrico del JFET. a) Canal n; b) canal p.

1.3.2.2 EL SEMICONDUCTOR DE ÓXIDO-METAL (MOSFET). El MOSFET tiene una fuente, puerta y drenador. Sin embargo, a diferencia del JFET, la puerta está aislada eléctricamente del canal. Por esta causa, la corriente de puerta es incluso menor que en un FET. Existen dos tipos de MOSFET, el de empobrecimiento y el de enriquecimiento. En la Figura 1-30 se muestra un MOSFET de empobrecimiento, también denominado de deplexión. Se compone de una pieza de material tipo n con una zona p a la derecha y una puerta aislada a la izquierda. La zona p se denomina substrato (o cuerpo). Los electrones que circulan desde la fuente hacia el drenador deben pasar a través del estrecho canal entre la puerta y la zona p.

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SEMICONDUCTORES

Drenador

Substrato

n p Puerta

n

SiO2 Fuente

Figura 1-30. MOSFET de empobrecimiento.

Una capa delgada de dióxido de silicio (SiO2) se deposita en el lado izquierdo del canal. El dióxido de silicio es semejante al vidrio y, por tanto, es un aislante. En un MOSFET la puerta es metálica; debido a que esta se encuentra aislada del canal, una corriente de puerta despreciable circula aun cuando la tensión de puerta es positiva. El MOSFET de empobrecimiento fue parte de la evolución hacia el MOSFET de enriquecimiento o de acumulación. Sin el MOSFET de enriquecimiento no existirían los ordenadores personales. En la Figura 1-31 se muestra un MOSFET de enriquecimiento. El substrato p se extiende a lo ancho hasta el dióxido de silicio. Como se puede ver, ya no existe un canal n entre la fuente y el ordenador. Cuando la tensión de puerta es nula, la corriente entre la fuente y el drenador es también nula. Por esta razón, el MOSFET de enriquecimiento está normalmente en corte cuando la tensión de puerta es cero. RD

Drenador

Substrato

n

n

p Puerta

VDD

p

n

VGS

n

SiO2 Fuente

(a)

(b)

Figura 1-31. MOSFET de enriquecimiento. a) No polarizado; b) polarizado.

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SEMICONDUCTORES

En la Figura 1-32 se muestra el símbolo eléctrico del MOSFET.

(a)

(b)

Figura 1-32. Símbolo del MOSFET. a) Canal n; b) canal p.

1.4 LOS TIRISTORES. La palabra tiristor viene del griego y significa puerta, puesto que se comporta como una puerta que se abre y permite el paso de corriente a través de ella. Un tiristor es un dispositivo semiconductor que utiliza realimentación interna para producir un nuevo tipo de conmutación. Los tiristores más importantes son los SCR y el triac. En esta sección se verá brevemente las características de estos componentes y su funcionamiento se verá ampliamente en el capítulo 4.

1.4.1 EL DIODO SCHOCKLEY. El esquema de la Figura 1-33a se llamó originalmente diodo Schockley debido a su inventor. Se usan varios nombres para este dispositivo: diodo de cuatro capas, diodo pnpn e interruptor unilateral de silicio (SUS). El dispositivo sólo permite el paso de corriente en una dirección.

p n p n

(a)

(b)

(c)

Figura 1-33. Diodo de cuatro capas. a) Estructura interna; b) equivalencia; c) símbolo.

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SEMICONDUCTORES

El diodo de cuatro capas es equivalente al esquema que se muestra en la Figura 1-33b y su símbolo se puede ver en la Figura 1-33c.

1.4.2 EL RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO (SCR). El SCR es el tiristor que más se usa. Puede conmutar corrientes muy elevadas y se emplea en control de motores, hornos, sistemas de aire acondicionado y calentadores de inducción. Su símbolo se puede ver en la Figura 1-34.

Figura 1-34. Símbolo del SCR.

1.4.3 EL DIAC. El diac puede tener corriente en cualquier dirección. El circuito equivalente de este dispositivo es un par de diodos de cuatro capas en paralelo. El diac no conduce hasta que la tensión en sus extremos intenta exceder la tensión de cebado (esto es cuando los transistores de los diodos de cuatro capas se saturan) en cualquier dirección. En la Figura 1-35 se puede observar su símbolo.

Figura 1-35. Símbolo del diac.

1.4.4 EL TRIAC. El triac actúa como dos rectificadores controlados de silicio en paralelo e invertidos. Este dispositivo puede controlar la corriente en cualquier dirección. Su símbolo se puede ver en la Figura 1-36.

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SEMICONDUCTORES

Figura 1-36. Símbolo del triac.

1.4.5 FOTO-SCR. En la Figura 1-37 se observa el símbolo de un foto-SCR, que también se conoce como SCR activado por luz (LASCR). Las flechas representan la luz incidente que pasa a través de una ventana y alcanza las capas de deplexión. Cuando la luz es lo suficientemente intensa, los electrones de valencia son desligados de sus órbitas y se convierten en electrones libres. Cuando estos electrones libres circulan del colector de un transistor a la base del otro, se inicia la realimentación positiva y el foto-SCR se cierra.

Figura 1-37. Símbolo del LASCR.

1.4.6 INTERRUPTOR CONTROLADO DE SILICIO (SCS). En la Figura 1-38 se observa el símbolo de un SCS. La puerta inferior se denomina puerta del cátodo y la puerta superior es la puerta del ánodo. El SCS es un dispositivo de baja potencia si se compara con el SCR, ya que maneja corrientes del orden de miliamperios en lugar de amperios.

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SEMICONDUCTORES

Figura 1-38. Interruptor controlado de silicio.

1.4.7 TRANSISTOR UNIUNIÓN (UJT). El UJT tiene dos zonas de dopaje. Cuando la tensión de entrada es cero, el dispositivo no conduce. Este dispositivo fue popular durante un tiempo para hacer osciladores, temporizadores y otros circuitos. La Figura 1-39 muestra el símbolo del UJT.

Figura 1-39. Símbolo del UJT.

Existen más tiristores, pero en esta ocasión solo se mencionaron los más utilizados.

1.5 PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE LOS OPTOACOPLADORES. La optoelectrónica es la tecnología que combina la óptica con la electrónica. Este campo incluye muchos dispositivos basados en la acción de una unión pn. Ejemplos de dispositivos optoelectrónicos son los diodos emisores de luz (LED), los fotodiodos, los optoacopladores, etc. Un optoacoplador combina un LED y un fotodiodo en un solo encapsulado. La Figura 1-40 muestra un optoacoplador. Tiene un LED en el lado de entrada y un fotodiodo en el lado de salida. La tensión de la fuente de la izquierda y la resistencia en serie establecen la corriente en el LED. Entonces, la luz proveniente del mismo incide sobre el fotodiodo, lo que genera una corriente inversa en el

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SEMICONDUCTORES

circuito de salida, que produce una tensión en la resistencia de salida. La tensión de salida es igual a la tensión de la fuente menos la tensión en la resistencia. Si la tensión de entrada varía, la cantidad de luz también lo hará, lo que significa que la tensión de salida cambia de acuerdo con la tensión de entrada. Por ello, la combinación de un LED y un fotodiodo recibe el nombre de optoacoplador. El dispositivo puede acoplar una señal de entrada con el circuito de salida. R1

-

+ V1

Vin -

R2

+

+ Vout

V2

-

Figura 1-40. El optoacoplador combina un LED y un fotodiodo.

La ventaja fundamental de un optoacoplador es el aislamiento eléctrico entre los circuitos de entrada y salida. Mediante el optoacoplador, el único contacto que hay entre la entrada y la salida es un haz de luz. Por tal causa, es posible tener una resistencia de aislamiento entre los dos circuitos del orden de miles de MΩ . Los aislamientos como éste son útiles en aplicaciones de alta tensión en las que los potenciales de los dos circuitos pueden diferir en varios miles de voltios.

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SEMICONDUCTORES

PREGUNTAS PARA EL ALUMNO 1. ¿Cuántos protones contiene el núcleo de un átomo de cobre? a) 1

b) 4

c) 18

d) 29

2. La atracción que experimenta hacia el núcleo el electrón de valencia de un átomo de cobre es: a) Ninguna

b) Débil

c) Fuerte

d) Imposible de describir

3. ¿Cuántos electrones de valencia tiene un átomo de silicio? a) 0

b) 1

c) 2

d) 4

c) Silicio

d) Ninguno

4. El semiconductor más empleado es: a) Cobre

b) Germanio

5. ¿Qué número de protones posee un átomo de silicio? a) 4

b) 14

c) 29

d) 32

6. Los átomos de silicio se combinan en una estructura ordenada que recibe el nombre de: a) Enlace covalente

b) Cristal

c) Semiconductor

d) Orbital de valencia

7. Un semiconductor intrínseco presenta algunos huecos a temperatura ambiente causados por: a) El dopaje

b) Electrones libres

c) Energía térmica

d) Electrones de valencia

8. Cada electrón de valencia en un semiconductor intrínseco establece: a) Enlace covalente

b) Electrón libre

c) Hueco

d) Recombinación

9. La unión de un electrón libre con un hueco recibe el nombre de: a) Enlace covalente

b) Tiempo de vida

c) Recombinación

d) Energía térmica

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SEMICONDUCTORES

10. A temperatura ambiente un cristal de silicio intrínseco se comporta como: a) Una batería

b) Un conductor

c) Un aislante

d) Un hilo de cobre

11. El tiempo que transcurre entre la creación de un hueco y su desaparición se conoce como: a) Dopaje

b) Tiempo de vida

c) Recombinación

d) Valencia

12. ¿Cuántos electrones libres contiene un semiconductor tipo p? a) Muchos

b) Ninguno

c) Sólo los producidos por la energía térmica

d) El mismo número que de huecos

13. ¿Qué tensión hay en un diodo de silicio polarizado directo? a) 0 V

b) 0.3 V

c) 0.7 V

d) 1 V

14. ¿Cuál de las afirmaciones siguientes es cierta con respecto a la tensión de ruptura de un diodo zener? a) Disminuye al aumentar la corriente

b) Destruye el diodo

c) Es igual a la corriente por la resistencia

d) Es aproximadamente constante

15. La tensión en la carga es aproximadamente constante cuando el diodo zener está: a) Polarizado en directa

b) Polarizado en inversa

c) Funcionando en la zona de ruptura

d) Sin polarización

16. La capacidad de un varicap aumenta si la tensión inversa que se la aplica: a) Disminuye

b) Aumenta

c) Provoca la ruptura

d) Provoca almacenamiento de carga

17. Si la intensidad de la luz aumenta, la corriente inversa de portadores minoritarios en un fotodiodo: a) Disminuye

b) No se altera

c) Aumenta

d) Invierte su dirección

18. ¿Cuál de los siguientes tiene una zona de resistencia negativa? a) Diodo túnel

b) Diodo opuesto

c) Diodo Schottky

d) Optoaclopador 33

SEMICONDUCTORES

EJERCICIOS 1. Un regulador zener sin carga tiene una tensión de fuente de 20 V, una resistencia en serie de 330 Ω y una tensión zener de 12 V. ¿Cuál es la corriente zener? 2. Si la tensión de la fuente en el problema 1 oscila entre 20 y 40 V, ¿cuál es el valor de la corriente zener máxima? 3. Si el Diodo zener de la Figura 1-41 está desconectado. ¿Cuál es la tensión en la carga? 330 Ω

20 V

12 V

1.5 kΩ

Figura 1-41.

4. La tensión de la Figura 1-41 disminuye de 20 a 0 V. En algún punto durante el transcurso de esta disminución, el diodo zener dejará de regular. Halle la tensión de la fuente para la cual se pierde la regulación. 5. Calcule las corrientes por las tres ramas de la Figura 1-41.

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