Unidad 4 Semiconductores

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Un semiconductor electrónico es un dispositivo capaz de controlar las corrientes eléctricas o modificarlas para obtener un beneficio. Los primeros semiconductores electrónicos fueron las válvulas de vacío o bulbos y el primero que existió fue el bulbo tríodo diseñado por el doctor De Forest en 1906, a partir de ahí nació la electrónica como tal. Con el paso del tiempo en 1947 se obtuvo el primer semiconductor al estado sólido conocido como transistor y a partir de este la electrónica evoluciono aún más, pues actualmente se tienen semiconductores en paquetes integrados y de un tamaño sumamente pequeño.

“Un semiconductor se caracteriza por dejar pasar toda la corriente, no dejar pasar la corriente o dejar pasar cierta cantidad de corriente”.

Los efectos que un bulbo tríodo le produce a una señal eléctrica son similares a los efectos de los transistores pero la diferencias es que el transistor consume mucho menos energía. El primer bulbo fue el bulbo Diodo el cual contaba con filamentos, cátodo y una placa. Lo filamentos calentaban el cátodo para poder liberar los electrones y saltaran hacía la placa.

Fig 4.1 Bulbo Diodo

El doctor De Forest agrego al bulbo diodo una reja llamada reja grilla o reja de control, logrando controlar así el paso de electrones y a esta modificación se le llamo bulbo tríodo.

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Fig 4.2 Bulbo tríodo

-CURVA CARACTERÍSTICA O DE RESPUESTA DEL TRÍODO-

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Estos dispositivos son creados por dopaje pues se mezclan ciertos materiales conductores con materiales aislantes dando lugar a un semiconductor. Prácticamente todos los dispositivos al estado sólido están formados por la unión de dos semiconductores básicos conocidos como semiconductor “N (-)” y semiconductor “P (+)”. -SEMICONDUCTOR NLos aislantes que se usan para este fin son cristales de germanio y silicio los cuales tienen 4 electrones en su última orbita ligados fuertemente entre sí. Los conductores que usa este semiconductor pueden ser Arsénico o antimonio que tienen 5 electrones libres en su órbita de valencia. Al hacer la fusión, 4 electrones del conductor se ligan con el cristal, quedando el quinto electrón flotando, precisamente este electrón conocido como portador negativo es el que realiza la conducción en el semiconductor.

Fig 4.3 Orbitas de valencia de cristales y conductores para el semiconductor N

-SEMICONDUCTOR PPara este semiconductor también se usa germanio o silicio mezclados con conductores trivalentes como son el Galio o Aluminio, estos materiales roban o aceptan un electrón del cristal al realizarse la fusión quedando huecos en el cristal que serán portadores positivos en donde se realizara la conducción.

Fig 4.4 Orbitas de valencia de cristales y conductores para el semiconductor P

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La conducción en el semiconductor N se da debido a los electrones libres los cuales al aplicarles corriente fluyen, en cambio el semiconductor P produce la conducción debido a los huecos que hay por los cuales fluyen los electrones aplicados al conectar la fuente.

Fig 4.5 Conducción en semiconductores N y P 

Estos componentes son básicamente resistencias semiconductoras que pueden variar su resistencia interna si son afectadas por voltaje, luz o calor, como son: -TERMISTOREs un semiconductor que modifica su oposición a la corriente si es afectado por calor y lo podemos encontrar en dos tipos: a)

(Coeficiente Negativo de temperatura). Se caracteriza por que en estado frio su resistencia es alta pero al calentarse su resistencia disminuye proporcional al calor. b) (Coeficiente Positivo de Temperatura). Conocido también como “Posistor”, se caracteriza porque en estado frio su resistencia es baja y aumenta en forma proporcional al calor.

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-VARISTOREl varistor o VDR (Resistencia dependiente de voltaje) se caracteriza porque su resistencia interna disminuye al aumentar el voltaje que lo polariza y es utilizado como amortiguador de pico o bien como protector contra elevaciones de voltaje bruscas.

Fig 4.6 Uso del varistor. Al existir una elevación de voltaje, el varistor Disminuye su resistencia dejando paras la corriente por el logrando Un corto circuito y volando el fusible, protegiendo así el dispositivo.

-FOTORRESISTENCIAEste componente se identifica con las siglas LDR (Resistencia Dependiente de Luz). Se caracteriza por que su resistencia disminuye en forma proporcional a la luz que la afecte. Su aplicación es como detector lumínico en sensores de alarma, contadores de evenos, etc. Normalmente se puede adquirir por ohms en total oscuridad (1M, 2M, etc…).

Fig 4.7 Aplicación de Fotorresistencia

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El diodo semiconductor está constituido fundamentalmente por una unión P-N, añadiéndole un terminal de conexión a cada uno de los contactos metálicos de sus extremos y una cápsula que aloja todo el conjunto, dejando al exterior los terminales que corresponden al ánodo (zona P) y al cátodo (Zona N) El diodo deja circular corriente a través suyo cuando se conecta el polo positivo de la batería al ánodo, y el negativo al cátodo, y se opone al paso de la misma si se realiza la conexión opuesta.

Fig 4.8 Diodo

Fig.4.9 Diodo Rectificador

-DIODO RECTIFICADOR-

Los diodos rectificadores son aquellos dispositivos semiconductores que solo conducen en polarización directa (arriba de 0.7 V) y en polarización inversa no conducen. Estas características son las que permite a este tipo de diodo rectificar una señal. Los hay de varias capacidades en cuanto al manejo de corriente y el voltaje en inverso que pueden soportar. Su aplicación principal es como rectificador, sin embargo, se puede utilizar para amortiguar picos de tensión, protector contra inversión de polaridad, etc.

Fig 4.10 Rectificadores de media onda, onda completa (puente de diodos) y onda completa (dos diodos y derivación central en el transformador 

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Fig 4.11. Circuito de protección contra inversión de voltaje -DIODO DE CONTACTO-

Los diodos detectores también denominados diodos de señal o de contacto puntual, están hechos de germanio y se caracterizan por poseer una unión PN muy diminuta. Esto le permite operar a muy altas frecuencias y con señales pequeñas. Se emplea por ejemplo, en receptores de radio para separar la componente de alta frecuencia (portadora) de la componente de baja frecuencia (información audible). Esta operación se denomina detección.

Fig 4.12 Diodo de contacto o de s eñal (Germanio) -DIODO ZENER-

Este diodo es de características especiales pues puede conducir en sentido inverso y generar una caída de tensión variable dependiendo del voltaje a que este ajustado. Normalmente se usa como regulador o estabilizador de voltaje y debe estar conectado en serie formando parte de un divisor de tensión.

Fig 4.13 Diodo Zener. Físicamente es similar a un diodo de germanio, se puede distinguir por su matrícula o realizando una prueba.

Fig 4.14 aplicación de un Diodo Zener como regulador 

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-DIODO VARICAP-

Este diodo internamente genera una capacidad eléctrica la cual puede variar si se modifica el voltaje inverso que lo polariza. Normalmente se utiliza en los circuitos de recepción de ondas electromagnéticas o bien en circuitos de tiempo que son de programación electrónica.

Fig 4.15 Diodo Varicap.

Fig 4.16. Polarización inversa Alta (Baja capacidad) y Polarización inversa Baja (alta capacidad)

A continuación podemos observar una común aplicación del diodo varicap.

Fig 4.17 Recepción para señales. Conforme se varía el voltaje con el potenciómetro varia la capacidad del diodo varicap permitiendo resonar a la frecuencia adecuada. Por ejemplo los canales de un televisor antiguo.

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-DIODOS ÓPTICOS-

Prácticamente existen 2 tipos de diodos ópticos, uno se caracteriza porque suministra luz y otro porque recibe luz y son utilizados en sistemas de alarma o circuitos detectores de presencia o contadores de eventos. a)

 Este componente tiene una respuesta de conducción solo cuando recibe luz, se polariza en forma inversa y normalmente funciona con luz infrarroja.

b)

Se caracteriza porque en juntura donde se pueden observar los fotones y la luz que proporcionan puede ser visible o infrarroja según sean las características de fabricación. Un diodo LED de luz visible normalmente trabaja con 3v de corriente continua, en cambio los de luz infrarroja trabajan con 1.5v y debe ser corriente variable.

Las funciones más comunes son como opto-acopladores donde están implicados ambos diodos, pero el LED de luz visible tiene una aplicación muy variada. -OPTOACOPLADORES-

Fig 4.18 OPTOACOPLADORES

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Estos componentes son dispositivos de disparo, es decir, para que puedan funcionar en necesario aplicar un pequeño pulso de disparo en un electrodo de control. Los tiristores más comunes son: a)

 El Rectificador controlado por silicio es un diodo con un electrodo adicional mediante el cual se hace conducir y fue diseñado para actuar como interruptor electrónico en c ircuitos de corriente directa. El más común es el SCR de disparo positivo, pero también existe el SCR de disparo negativo conocido como  (Tiristor de unión programable).

Fig 4.19 Unión de semiconductores de un SCR

PUT

b)

GTO

- El diodo para corriente alterna, son básicamente dos diodos encontrados entre sí, conducirá solamente hasta rebasar en voltaje de disparo para el que fue diseñado; estos componentes normalmente se usan para acoplar el voltaje de disparo que requieren los SCR´s y TRIAC´s para funcionar.

Fig 4.20 Unión de semiconductores de un DIAC 

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 El tríodo para corriente alterna es un tiristor que se utiliza como interruptor en circuitos de corriente alterna siempre y cuando reciban un pulso de disparo en su electrodo de control. Prácticamente un TRIAC equivale a dos SCR´s encontrados utilizando el mismo electrodo de control.

Fig 4.21 Unión de semiconductores de un TRIAC

Los transistores fueron diseñados para lograr controlar corrientes eléctricas sin necesidad de las voluminosas válvulas de vacío. Los primeros transistores que actualmente siguen siendo muy usados son los transistores bipolares (NPN y PNP) y después de ellos aparecieron los transistores FET, MOSFET, Unijuntura (UJT), Darlington, Fototransistores y los IGBT.

Estos fueron los primeros transistores y están formados por 3 trozos de semiconductores y para funcionar necesitan polarizarse con dos polarizaciones, de ahí el nombre bipolar. a)

Está formado por 3 trozos semiconductores, 2 negativos y 1 positivo. Teóricamente se forman 2 diodos en su estructura, el diodo de entrada formado por emisor y base y el diodo de salida formado por base y colector. Para que este componente conduzca debe tener polarización directa en su diodo de entrad e inversa en su diodo de salida.

Fig 4.22 Transistor NPN 

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Fig 4.23 Curva característica de los transistores bipolares

Está formado por 3 trozos de semiconductores, 2 positivos y uno negativo. Teóricamente se forman 2 diodos en su estructura, el diodo de entrada formado por E y B y el diodo de salida formado por B y C.

Fig 4.24 Transistor PNP 

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Estos componentes están formados con 2 trozos de semiconductor en donde uno de ellos es un semiconductor base y el segundo es un pequeño semiconductor de excitación.

Fig 4.25 transistor UJT 

Una de las aplicaciones del UJT más común es como generador de pulsos en diente de sierra. Estos pulsos resultan muy útiles para controlar el disparo de la puerta de TRIACS y SCR.

Fig 4.26 Generador de pulsos de diente de sierra.

Se caracterizan porque conducen por efecto de campo eléctrico y son 2 categorías, los FET convencionales y los MOSFET. Recibe polarización negativa en su electrodo de abastecimiento o fuente y positivo en su electrodo de drenaje o drenador y para que conduzca se debe aplicar un pequeño voltaje positivo o negativo en su electrodo de compuerta según el tipo de semiconductor base que tenga.

Fig 4.27 Transistor FET 

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Tiene un recubrimiento de óxido metálico que lo hace inmune a interferencias, pero se torna sensible a la electroestática, por lo tanto al trabajar con estos componentes debemos tener las siguientes precauciones:

Fig 4.28 Transistor MOSFET

Pertenecen a la familia de los optoelectrónicos y se caracteriza porque existe una ventana en su base por donde recibe luz para poder variar su conducción, se usa como detector en sistemas de función automática, alarmas, etc.

Fig 4.29 Fototransistor

Son un par de transistores bipolares normalmente acoplados en paralelo con el fin de aumentar la corriente de conducción; actúan como amplificadores de potencia para circuitos de baja frecuencia y corrientes elevadas.

Estos dispositivos son una combinación de transistores bipolares con activación en base tipo FET, son utilizados como actuadores de potencia en circuitos de alta potencia y por su respuesta rápida Página | 74

pueden aplicarse como interruptores en circuitos de corriente directa, en inversores, fuentes conmutadas de alta potencia, etc.

Los circuitos integrados se forman mediante capas semiconductoras en donde se usa un semiconductor base de cierta polaridad a la cual se le incrustan trozos de semiconductor de polarización contraria, tantos como los componentes que se simulen. Existen circuitos integrados híbridos que están formados por semiconductores y componentes discretos; también están los circuitos integrados monolíticos formados en una solo pastilla. La cantidad de componentes que alberga un chip ha ido aumentando, por ejemplo:  

IC MSI- Contiene entre 500 y 10000 componentes IC VLSI y SSLI- Contienen arriba de 500000 componentes

Todos los integrados vienen en un empaque que les sirve como disipador de calor, además cuentan con un punto guia para ubicar el pin 1 y los demás se enumeran en sentido anti horario. Los empaques más comunes son: 1. 2. 3. 4.

Empaque Empaque Empaque Empaque

SIP (1 linea de pines) DIP (2 lineas de pines) CUADRIP (4 lineas de pines) TO (de forma circular) a)

b)

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