Search

Electrónica Analógica - Lección 1 - Materiales Semiconductores y Diodos (CUR1001S)

1.1 – Estructura y propiedades de materiales semiconductores

 Estudiamos en las lecciones del Curso Básico (Volumen anterior de la serie) que hay dos tipos de comportamiento de los materiales en relación con la capacidad de conducir la corriente eléctrica. Hay los materiales a través de los cuales la corriente puede fluir fácilmente, siendo llamados los conductores, y los materiales en los cuales la corriente no puede pasar, denominados aislantes.

Entre los conductores destacamos los metales, los gases ionizados, las soluciones iónicas, etc. Entre los aisladores destacamos el vidrio, el caucho, la mica, los plásticos, etc.

Hay, sin embargo, una tercera categoría de materiales, un grupo intermedio de materiales que no son buenos conductores, porque la corriente tiene dificultad para pasar a través de ellos, pero no son del todo aislantes. En estos materiales, los portadores de carga pueden moverse, pero con cierta dificultad. Estos materiales se llaman "semiconductores".

Entre los materiales semiconductores más importantes, que presentan estas propiedades, destacamos los elementos químicos silicio (Si), germanio (Ge) y el Selenio (Se). En una gama de capacidades para conducir la corriente, estarían en posiciones intermedias, como se muestra en la figura 1.

 

Figura 1 – La banda de conductividad de los materiales
Figura 1 – La banda de conductividad de los materiales

 

 

Durante algún tiempo, muchos componentes electrónicos se hicieron exclusivamente de germanio, caso de los primeros transistores, pero entonces el silicio prácticamente asumió el control de la tecnología electrónica y, hoy en día algunos otros materiales comienzan a aparecer en aplicaciones Importante como el Galio (GA), el indio (In), y Varias aleaciones que incluyen el uso de estos materiales juntos.

Para que entendamos el comportamiento de estos materiales, será interesante analizar la forma en que los átomos están dispuestos en estos materiales. En el germanio y en el silicio, los átomos poseen 4 electrones en su última capa para que, cuando forman una Estructura, estos átomos tengan la forma en que pueden ser vistos haciendo clic en la figura 2.

 

Figura 2 – La estructura cristalina del silicio y del germanio
Figura 2 – La estructura cristalina del silicio y del germanio

 

 

Es una estructura cristalina en la que se mantiene la disposición a lo largo del cuerpo, dotada de propiedades especiales.

Así, en forma de cristal, como lo que vimos, tanto el germanio como el silicio pueden compartir los electrones de las últimas capas de átomos vecinos, por lo que siempre tendremos 8 electrones alrededor de cada núcleo, como puede ver en la figura 3.

 

  Figura 3 – Los átomos comparten electrones para que cada uno permanezca con su capa externa completa;
Figura 3 – Los átomos comparten electrones para que cada uno permanezca con su capa externa completa;

 

 

Este reparto hace que la estructura obtenida sea muy estable, y los electrones tan firmemente atrapados en los puntos en los que deben permanecer que su movilidad se reduce a través del material.

Como los electrones son portadores de carga, la dificultad que encuentran en la mudanza a través de los átomos de esta estructura dificulta el paso de cualquier corriente eléctrica. Esto causa la resistividad de materiales semiconductores puros, como el silicio o el germanio, es muy alta.

En su forma pura ningún material semiconductor, como el silicio y el germanio, encuentran aplicaciones prácticas en la electrónica, pero la situación cambia si añadimos ciertas "impurezas" a estés materiales.

Estas impurezas consisten en las sustancias cuyos átomos tienen en su última capa un número de electrones con excepción de 4. Y para que se obtenga el efecto deseado, la adición de estas impurezas se hace en una cantidad extremadamente pequeña del orden de pocas partes por millón o p.p.m.

Entonces tenemos dos posibilidades de agregar impurezas a los materiales semiconductores:

Elementos cuyos átomos poseen 5 electrones en la última capa (capa Valencia). Estos elementos se denominan pentavalentes.

Elementos cuyos átomos poseen 3 electrones en la última capa (capa Valencia). Estos elementos se denominan trivalentes.

 

El primer caso se puede Ver en la figura 4. Se trata del elemento arsénico (As) que tiene 5 electrones en su última capa. Supongamos que formamos una Estructura en la que cada átomo de arsénico está rodeado de átomos de germanio (o silicio).

 

Figura 4 – Obteniendo un material tipo N
Figura 4 – Obteniendo un material tipo N

 

 

Como los átomos vecinos sólo pueden compartir 8 electrones en la forma que se muestra en la figura, sigue habiendo un electrón en el lugar donde hay un átomo con 5 electrones. Este electrón restante es movilidad, y puede moverse a través del material. El electrón puede saltar de átomo a átomo, moviéndose a través de la Estructura.

Esta movilidad permite su uso como "portador" de cargas, es decir, un agente que permite la circulación de corrientes.

Así, en los materiales dopados con estos átomos, la resistividad es menor y tienen mayor capacidad para llevar a cabo la corriente. Como los portadores de la carga son electrones (negativos) decimos que es un tipo N (negativo) material del semiconductor.

En la segunda posibilidad, agregamos una impureza que tiene átomos dotados de 3 electrones en la última capa, como el indio (In), luego obteniendo una estructura como el lector puede ver en la figura 5.

 

Figura 5 – Estructura de un material P, dopado con indio (In)
Figura 5 – Estructura de un material P, dopado con indio (In)

 

 

Ver entonces que en la localización del átomo dopante (In) no hay 8 electrones que se compartirán, pero solamente 7. Entonces hay una vacante o "hueco" que podría ser llenada por los electrones.

Este hueco tiene una propiedad importante. Puede recibir electrones que se mueven a través del material. Los electrones, que se mueven a través del material, pueden "saltar" en estos huecos, moviéndose a través de él. En otras palabras, la presencia del hueco facilita el movimiento de cargas a través del material, también disminuyendo su resistividad.

Como los portadores de carga, en este caso, son los huecos, es decir, la falta de electrones, que podrían asociarse a una carga positiva, como prevalece en este lugar, se dice que el material semiconductor así obtenido es de tipo P (positivo).

 

1.2 – Juntura PN

Cuando combinamos dos materiales semiconductores de diferentes tipos, P y N, se forma entre ellos una junción o juntura que tiene importantes propiedades eléctricas. De hecho, son las propiedades de las junciones de semiconductores que permiten fabricar todos los dispositivos semiconductores modernos, del diodo, pasando por el transistor al circuito integrado.

La junción semiconductora es parte integral de dispositivos tales como los SCRs, Triacs, LEDS, MOSFETS, y muchos otros. Por esta razón, entender su comportamiento eléctrico es vital para cualquiera que desee profundizar el conocimiento de la electrónica. Si no sabemos cómo funcionan estas funciones, no seremos capaces de entender cómo funciona cualquier dispositivo semiconductor que los utilice.

Para entender cómo funciona la conexión, Vamos a dejar dos piezas de materiales semiconductores, una P y otra N, que se unen, con el fin de formar una junción, como se muestra en la figura 6.

 

 

Figura 6 – Obteniendo de junción PN
Figura 6 – Obteniendo de junción PN

 

 

En el sitio de la junción, los electrones que están en exceso en el material N se mueven hasta el material P, luego buscando huecos, donde se fijan.

El resultado es que tenemos electrones neutralizando huecos, es decir, en esta región no tenemos más material ni N ni P, sino un material neutro. Sin embargo, mientras se produce la neutralización, se manifiesta una pequeña tensión eléctrica entre las dos regiones de material semiconductor.

Esta tensión, que aparece en la junción, consiste en una verdadera barrera que debe ser superada para que podamos circular cualquier corriente entre los dos materiales. Como sugiere el fenómeno, el nombre dado es "barrera de potencial", como se muestra en la figura 7.

 

 

Figura 7 – La barrera de potencial
Figura 7 – La barrera de potencial

 

 

Esta barrera tiene un valor que depende de la naturaleza del material semiconductor utilizado, el orden de 0,2 V para el germanio y 0,6 V para el silicio.

La Estructura indicada, con dos materiales semiconductores, P y N, forman un componente que cuenta con importantes propiedades eléctricas y que llamamos "diodo semiconductor", o simplemente "diodo". Él es el que estamos tratando el siguiente tema.

 

1.3 – El diodo semiconductor

Para hacer una corriente eléctrica circular a través de una estructura, como la que se estudió en el ítem anterior, con dos materiales P y N formando una junción, hay dos posibilidades, o dos sentidos posibles: la corriente puede fluir desde el material P hasta la N, o viceversa.

En la práctica, veremos que a diferencia de los cuerpos comunes que conducen la electricidad, la corriente no se comporta de la misma manera en ambas direcciones.

La presencia de la conexión causa un comportamiento totalmente diferente para manifestarse en cada caso.

Entonces asumiremos inicialmente que una batería está conectada a la Estructura formada por los dos pedazos de material del semiconductor que forman la conexión, es decir la estructura del PN.

El material P está conectado al polo positivo de la batería, mientras que el material N está conectado al polo negativo. Entonces hay una repulsión entre las cargas que causan los portadores del material P, es decir, los huecos se mueven hacia la conexión, mientras que los portadores de la carga del material N, que son los electrones libres, se desvían del polo de la batería que es empujado hacia la conexión.

Los portadores positivos de la carga (huecos) y los negativos (electrones) están en la región de la conexión donde, porque tienen diversas polaridades recombinar y se neutralizan. La recombinación de estas cargas, "empujada" por la batería, abre camino para que se empujen nuevas cargas a esta región, formando así un flujo constante.

Este flujo, nada más es que una corriente eléctrica que puede fluir libremente a través del componente, sin encontrar mucha resistencia u oposición.

Decimos, en estas condiciones, que el componente, este polarizado en la dirección directa, como se muestra en la figura 8.

 

Figura 8 – Conexión polarizada en la dirección directa
Figura 8 – Conexión polarizada en la dirección directa

 

 

Este componente, llamado "diodo", como hemos visto, permite el paso actual sin oposición cuando se polariza en la dirección directa.

Por otro lado, si reinvertimos la polaridad de la batería en relación con los trozos de material semiconductor de esta estructura, el fenómeno que se manifiesta es diferente. Los portadores del material N se sienten atraídos por el polo positivo del generador alejándose de la región de la conexión. La polarización inversa se puede Ver en la figura 9.

 

 

Figura 9 – Conexión polarizada en la dirección inversa
Figura 9 – Conexión polarizada en la dirección inversa

 

 

De manera similar, los portadores del material P también se alejan de la conexión, lo que significa que tenemos una "ampliación de la conexión", con un aumento de la barrera potencial que impide la circulación de cualquier corriente eléctrica. La Estructura polarizada de esta manera, es decir, polarizada en la dirección inversa, no permite que el corriente pase.

En la práctica, una pequeña corriente del orden de las millonésimas de ampères puede circular incluso cuando el diodo está polarizado en la dirección inversa. Esta corriente " de fuga" es debido al hecho de que el calor ambiente agita los átomos del material de una manera tal que, uno u otro portador de carga pueda ser lanzado, transportando la corriente de esa manera.

Como la intensidad de esta corriente varía con la temperatura, una estructura de este tipo, es decir, un diodo, también se puede utilizar como un sensor de temperatura excelente. Termómetros electrónicos, sensores de calor que conectan un ventilador cuando un componente se calienta son basados en esta propiedad de los diodos semiconductores.

Ver entonces que una estructura simple PN del Silicio o del Germanio da lugar ya a un componente electrónico importante que es el diodo. En la figura 10 el lector tendrá la estructura y el símbolo utilizado para representar el componente que se asemeja a una "flecha" que indica la dirección de la corriente.

 

 

Figura 10 – Símbolo, Estructura y aspectos de los principales tipos de diodos
Figura 10 – Símbolo, Estructura y aspectos de los principales tipos de diodos

 

 

En la misma figura tenemos los aspectos de estos componentes, cuyo tamaño depende de la intensidad de la corriente que puede controlar o accionar y también la tensión máxima que puede manifestarse entre sus terminales. Ver que hay una banda o anillo en algunos tipos de diodos, indicando el lado del cátodo, es decir, el lado del material N.

El diodo semiconductor se puede polarizar de dos maneras, como verá el lector en la figura 11.

 

 

Figura 11 – Polarización directa y polarización inversa de un diodo.
Figura 11 – Polarización directa y polarización inversa de un diodo.

 

 

Si el diodo está polarizado como se muestra en la figura (a), con el polo positivo de la batería u otra fuente de energía en su ánodo, la corriente puede fluir fácilmente, ya que el diodo presenta una resistencia muy baja. Decimos que el diodo está polarizado en la dirección directa.

Si la polarización se hace como se muestra en la misma figura (b), entonces ninguna corriente puede circular. Decimos que el diodo está polarizado en la dirección inversa.

Por estas propiedades, se puede utilizar un diodo semiconductor en muchas aplicaciones electrónicas importantes, muchas de las cuales tendremos la oportunidad de ver en este curso.

Observe, aunque, debido al hecho de que necesitamos superar la barrera potencial de 0,2 V para diodos de germanio, y 0,6 V para diodos de silicio, cuando se produce la conducción, aparece en el componente siempre esta tensión, independientemente de la intensidad de la corriente que está circulando a través de ella, como se puede ver en la figura 12.

 

 

  Figura 12 – Caída de tensión en un diodo
Figura 12 – Caída de tensión en un diodo

 

 

De manera similar, también hay un límite a la tensión máxima que podemos aplicar en un diodo para polarizarlo en la dirección inversa.

Llega un punto donde, incluso revesa polarizado, la barrera de potencia ya no puede contener el flujo de cargas "rompiendo" con la cocción del componente.

Los diodos comunes entonces se especifican según la corriente máxima que puede conducir en la dirección directa, abreviada por If (O f viene de forward que en inglés significa directo), y por la tensión máxima que puede soportar en la dirección inversa, abreviado por Vr (O r viene de reverse que, en inglés, significa inversa).

 

1.4 – Tipos de diodos

A medida que estudiamos, el material semiconductor utilizado en la formación de junturas puede ser el germanio como el silicio. Así que tenemos los diodos de germanio como de silicio. Y, en estos grupos, los tipos todavía pueden tener propósitos diferentes, por lo que se construyen de manera diferente. Analizamos algunos tipos de diodos.

 

1.4.1 - Diodos de Germanio

En la figura 13 tenemos la Estructura interna de un diodo de germanio, no muy utilizado hoy en día, pero todavía se encuentra en algunos equipos y aplicaciones especiales.

 

Figura 13 – Un diodo de germanio
Figura 13 – Un diodo de germanio

 

 

Este tipo de diodo se utiliza en circuitos que operan con corrientes muy débiles, pero tiene la ventaja de poder operar con variaciones muy rápidas de corrientes, es decir, con señales de alta frecuencia. Por lo tanto, se utiliza principalmente en la detección de señales de radio. Los tipos bien conocidos son los 1N34, 1N60, OA79, etc.

Ver que la especificación de los diodos se hace según una codificación. Para los diodos con "nomenclatura americana", tenemos la sigla 1N, mientras que para los tipos que siguen la nomenclatura europea tenemos las siglas OA o BA.

De hecho, todos los semiconductores tienen códigos de identificación internacionalmente aprobados como los que damos a continuación.

 

1.4.2 - Código Pro-electrón

Este código se utiliza en la identificación de semiconductores que se adoptan principalmente en Europa. El código consta de dos o tres letras, seguida de un número de serie (sufijo) con el siguiente significado:

La primera letra indica el material, según la siguiente tabla:

A = Ge

B = Si

C = GaAs

R = materiales compuestos

 

La segunda letra indica la aplicación del dispositivo según la siguiente tabla:

A: Diodo del RF

B: Varicap

C: Transistor, AF, pequeñas señales

D: Transistor, AF, potencia

E: Diodo Tunnel

F: Transistor, HF, pequeña señal

K: Dispositivo de efecto Hall

L: Transistor, HF, potencia

N: Acoplamiento óptico:

P: Dispositivo sensible a la radiación

Q: Dispositivo que produce radiación

R: Tiristor, Baja potencia

T: Tiristor, Potencia

U: Transistor, potencia, conmutación

Y: Rectificador

Z: Zener, o diodo del regulador de voltaje

 

La tercera letra indica que el dispositivo está indicado para aplicaciones industriales o profesionales, así como comerciales. El sufijo es generalmente W, X, Y, o Z. El número de serie va de 100 a 9999. Un sufijo adicional determina típicamente el rango de ganancia, como en las normas JEDEC.

 

Ejemplos - BC548A – Transistor de silicio de baja potencia

BAW68 – diodo para aplicaciones profesionales en RF

BD135 – transistor del silicio de la energía

BF494 – transistor de silicio de baja potencia para RF

 

En el ejemplo BC548A, la A indica una característica adicional dentro del mismo grupo. Por ejemplo, la ganancia. veremos qué significa eso en las próximas elecciones.

 

1.4.3 - Diodos de Silicio de Uso General

Se trata de diodos de silicio fabricados para trabajar con corrientes de pequeña y mediana intensidad, del orden máximo 200 mA, y tensiones que no van mucho más allá del 100 V. Se utilizan en circuitos protectores, circuitos lógicos, polarización, caída de tensión, referencia, etc. En la figura 14 mostramos el diodo 1N4148 es uno de los más comunes en esta serie.

 

Figura 14 – Un diodo 1N4148
Figura 14 – Un diodo 1N4148

 

 

1.4.4 - Diodos Rectificadores de Silicio

Son diodos destinados a la conducción de corrientes intensas, llevando también altas tensiones que pueden superar los 1 000 V.

Una serie muy usada de diodos de los rectificadores es el 1N400x donde el x puede ir a partir del 1 a 7. Son diodos de 1 A, muy usados en la ratificación de corrientes alternadas en fuentes de alimentación. Las características de estos diodos son:

1N4001 – 50 V

1N4002 – 100 V

1N4003 – 200 V

1N4004 – 400 V

1N4005 – 600 V

1N4006 – 800 V

1N4007 – 1000 V

 

Cuando se utiliza estos diodos se da un buen margen de seguridad. Además, hay otros que realizan importantes funciones en circuitos electrónicos y se analizan a tiempo.

Ver que las tensiones indicadas en la tabla son las tensiones máximas, no RMS. así, en la red de 110 V, por ejemplo, como estudiamos en el Curso Básico, el pico puede superar el 150 V, por lo tanto, utilizar el 1N4003, preferiblemente el 1N4004, y nunca el 1N4002.

 

1.5 – El diodo Zener

De acuerdo con que estudiamos, hay un límite a la tensión que se puede aplicar en la dirección inversa en un diodo común. Cuando la tensión excede este valor, varía de tipo a tipo de diodo, la juntura "rompe", haciéndolo conductor y, con esto, llevando una corriente intensa. La corriente atraviesa sin encontrar más obstáculos.

Para los diodos comunes, esta interrupción en el sentido inverso significa la quema del componente. La corriente fuerte termina causando la pérdida de las propiedades de los materiales semiconductores que forman su estructura.

Sin embargo, hay diodos que están diseñados para soportar la corriente en dirección inversa hasta cierto punto, incluso cuando la tensión inversa se supera. Estos componentes son de gran importancia para la electrónica moderna.

En la figura 15 tenemos una curva que muestra la característica de un diodo común, y también puede servir para que podamos introducir un nuevo tipo de componente: el diodo Zener.

 

Figura 15 – Curva característica de un diodo común
Figura 15 – Curva característica de un diodo común

 

 

Vea entonces que, cuando se produce una ruptura en la dirección inversa, tanto como la corriente aumenta, la tensión en el diodo permanece fija, en el valor VP, que a partir de ahora se denominará Vz o tensión Zener.

Esto significa que si tenemos un diodo que puede trabajar en este punto de la curva característica sin quemar, será capaz de mantener la tensión en un circuito independientemente de la corriente, es decir, puede funcionar como un regulador de voltaje. En la figura 16 tenemos el símbolo adoptado para representar este tipo de componente, que se llama "diodo Zener", así como los aspectos de los tipos más comunes.

 

 

Figura 16 – Símbolo del diodo Zener y aspectos
Figura 16 – Símbolo del diodo Zener y aspectos

 

 

Los diodos Zener pueden cumplir una función muy importante en los circuitos, regulando la tensión de las fuentes de alimentación, y están presentes en muchas aplicaciones en las que se necesita un voltaje fijo. Los diodos Zener con tensiones entre 2 y 200 volts se pueden encontrar en aparatos electrónicos comunes.

En la figura 17 tenemos el modo típico de usar un diodo Zener.

 

Figura 17 – Circuito de aplicación simple de un diodo Zener
Figura 17 – Circuito de aplicación simple de un diodo Zener

 

Ver que, en primer lugar, trabaja polarizado en la dirección inversa, es decir, su cátodo va al punto positivo del circuito. El circuito, que debe tener la tensión estabilizada, está conectado en paralelo con el diodo Zener.

El resistor R en este circuito tiene la función importante de limitar la corriente en el diodo Zener, porque si sobrepasa un valor determinado por su capacidad de la disipación, puede quemarse, el valor máximo de la corriente depende de la energía del Zener, y se puede calcular fácilmente en cada aplicación.

 

1.6 – El LED (Diodo Emisor de luz)

La observación de que, cuando un diodo conduce la corriente en la dirección directa, ocurre la emisión de la radiación infrarroja (luz invisible), es muy vieja.Sin embargo, en un diodo común la intensidad de la emisión es muy pequeña.Este efecto se puede lograr con mayor intensidad y alterado de modo que la emisión ocurra en otros rangos del espectro, obteniendo así emisores de componentes de radiación infrarroja, luz visible e incluso ultravioleta.A continuación, tenemos componentes cuya Estructura básica es la misma que un diodo común, pero que están hechos de materiales como el Arseniuro de Galio (GaAs) y otras variaciones como el Arseniuro de Galio con Indio (GaAsin), siendo llamado “light emitting diodes” o "diodos emisores de luz" cuya abreviatura del término inglés resulta en LED."Los diodos emisores de luz o LEDS pueden producir una luz increíblemente pura, ya que la emisión se produce mediante un proceso de transferencia de energía entre electrones, que se encuentran en órbitas definidas en átomos, su frecuencia es única. Este es un proceso similar a lo que sucede con el láser, por lo que podemos considerar los LEDS relacionados con los láseres semiconductores. Luego veremos cómo funcionan los láseres semiconductores.Así, a diferencia de la luz blanca que se forma mezclando todos los colores, la luz emitida por un LED es de color único. Se trata de una fuente de luz monocromática, como se muestra en los espectros de emisión que el lector puede ver en la figura 18. 

Figura 18 – Las curvas de emisión estrecha de los LEDS
Figura 18 – Las curvas de emisión estrecha de los LEDS

 En la figura 19 podemos observar el aspecto y el símbolo utilizado para representar un LED común.  

   Figura 19 – LEDS – aspectos y símbolo
Figura 19 – LEDS – aspectos y símbolo

 Muchos fabricantes muestran varios LEDs en los involucros únicos, formando las barras, los paneles, o aún cuadros. Son los displays de LED. En la figura 20 tenemos ejemplos de estas pantallas. 

 Figura 20 – Display de LEDs
Figura 20 – Display de LEDs

 Como la combinación de estos colores puede resultar en luz blanca, hay LEDS que combinan tres chips diferentes internamente, en los colores básicos y cuando se encienden, producen luz blanca de alta intensidad. En la figura 21 tenemos un LED blanco de alto brillo;  

Figura 21 – LED blanco de alto brillo
Figura 21 – LED blanco de alto brillo

 Hay una tendencia actualmente en marcha para obtener LEDS con alto rendimiento, capaz de reemplazar las lámparas comunes en muchas aplicaciones que implican la iluminación, no sólo señalización o indicación, ya que hasta entonces se produjo con los LEDS comunes. Estos LEDS se llaman "alto brillo" y empiezan a reemplazar las lámparas comunes en muchas aplicaciones.En la figura 22 tenemos una bombilla LED que sustituye con una ventaja con una lámpara incandescente común, por su rendimiento y durabilidad.  

  Figura 22 - Una lámpara de LEDs
Figura 22 - Una lámpara de LEDs

 

  1.6.1 – TV de LEDS

Los puntos de imagen de un televisor analógico tradicional operan por el impacto de los electrones en los materiales fosforescentes en los colores básicos RGB (Ver otros componentes de la TRC). Podemos conseguir una imagen equivalente de la TV usando para los puntos de la imagen de los LED en estos colores.Por supuesto, necesitaremos millones de ellos, uno para cada punto de imagen de cada color, pero la tecnología actual logra fabricar estas pantallas como se muestra en la figura 23. Hay millones de LEDS montados sobre un panel formando grupos de 3 (RGB), uno para cada punto de imagen, como se muestra en la misma figura. 

Figura 23 – Un televisor/ monitor de LEDs
Figura 23 – Un televisor/ monitor de LEDs

 La Ventaja del uso de los LEDS en este tipo de display es que presentan un rendimiento muy alto, que lleva el televisor o el monitor a un bajo consumo, y sus paneles son planos, ocupando mucho menos espacio. 

 

1.6.2 – Uso de LEDs

Para saber cómo utilizar un LED usted necesita conocer sus características eléctricas, y esto se puede lograr fácilmente a partir de su curva característica que se puede observar en la Figura 24. 

  Figura 24 – la curva característica de un LED es la misma que un diodo
Figura 24 – la curva característica de un LED es la misma que un diodo

 Por esta curva, tenemos varias informaciones importantes. El primero de ellos nos muestra que el punto VF, es decir, el instante en que el LED comienza a accionar la corriente corresponde a una tensión mayor que la obtenida en los diodos comunes de silicio o germanio. Esta tensión depende del tipo de LED considerado.Así, para un LED rojo e infrarrojo esta tensión es de aproximadamente 1.6 V, ascendiendo a 2,1 V en un LED amarillo y alcanzando más de 2,7 V para LEDs verdes, azules y blancos.Esto significa que necesitamos una tensión con al menos ese valor, por lo que el LED "ascienda" porque necesita conducir en la dirección correcta para esto.Por otro lado, vemos que la tensión inversa de la ruptura (VR) es de alrededor de 5 V. Esto significa que los LEDS nunca pueden ser polarizados en la dirección inversa con más de 5 V, ya que esto puede causar que se queme.Otro dato importante que se obtiene de la curva característica del LED es que, desde la conducción en dirección directa, la corriente aumenta casi en una vertical, lo que significa que, comenzando a conducir, la resistencia del LED cae a un valor muy bajo. Esto significa que, si no hay manera de limitar la corriente en este componente, aumenta rápidamente por capaz de superar tanto como soporta, causando su combustión.Para LEDS comunes esta corriente es del orden de 50 mA o más (depende del tamaño del LED), pero hay tipos de alta intensidad en los que es mucho más grande. En cualquier forma, el lector debe recordar que el LED es un componente frágil, especialmente la potencia más pequeña. 

 

1.7 – Los fotodiodos

Como hemos estudiado, una pequeña corriente puede fluir a través de un diodo cuando está polarizado en la dirección inversa debido a la liberación de portadores de carga por temperatura. La elevación de la temperatura causa una "agitación" de los átomos y esto puede causar que los portadores sean lanzados.Sin embargo, hay otro tipo de influencia externa que puede causar la liberación de los portadores de carga, y que permite el uso de los diodos de manera diferente, a diferencia de la que hemos visto hasta ahora.Si la luz puede llegar a la junción de un diodo polarizado en la dirección inversa, como se sugiere en la figura 25, los portadores de carga pueden ser liberados. 

Figura 25 – La luz puede liberar a los portadores de carga
Figura 25 – La luz puede liberar a los portadores de carga

 El resultado de esto es que la corriente de circulación ya no dependerá sólo de la temperatura, sino también de la cantidad de luz o intensidad de la luz que se centra en este empalme.Con esto, podemos elaborar componentes llamados "fotodiodos", que el lector puede ver en la figura 26, en la que expone deliberadamente a través de una ventana o envoltorio transparente, la junción a la luz exterior, con el fin de obtener una corriente proporcional a su intensidad.  

Figura 26 - Fotodiodos – símbolo y aspectos
Figura 26 - Fotodiodos – símbolo y aspectos

 Los fotodiodos comunes se caracterizan por su sensibilidad y la velocidad con la que pueden responder a cualquier variación en la intensidad de la luz. Esto hace que se utilicen en la lectura de códigos de barras, tarjetas perforadas, alarmas, o incluso para la recepción de luz modulada como ocurre en un sistema de control remoto.El transmisor de control remoto emite el código en un radio de luz infrarroja, y el fotodiodo colocado junto al televisor, DVD o equipo de sonido, recibe esta luz, permitiendo la extracción de información que se traduzca en un comando.En la figura 27 tenemos una característica de sensibilidad de un fotodiodo, donde vemos que estos componentes pueden "Ver" formas de radiación que nuestros ojos no perciben, es decir, por debajo del rojo y por encima de la violeta. 

   Figura 27 – Característica del fotodiodo y del ojo humano
Figura 27 – Característica del fotodiodo y del ojo humano

 

  1.7.1 - Uso de los Fotodiodos

Además de las alarmas, los mandos a distancia y otras aplicaciones que citamos, los fotodiodos pueden ejercer muchos otros, por lo tanto, encontrados en un gran número de aplicaciones prácticas. Además de lo indicado, contamos con los indicadores de posiciones o codificadores de maquinaria industrial, detectores de radiación y más. 1.8 – Otros tipos de diodos: Schottky, tunnel, varicap, etc.Además de los diodos que estudiamos hay algunos otros tipos que son muy importantes en aplicaciones prácticas, entre ellas destacamos: Varicap Cuando polarizamos un diodo común en la dirección inversa, como se muestra en la figura 28, los portadores de carga se alejan de la junción, disminuyendo la intensidad del fenómeno de recombinación por la conducción, responsable por la conducción del componente: no hay corriente entre el ánodo y el cátodo y la región de la junción aumenta de espesura. 

Figura 28 – Polarización de un diodo en la dirección inversa
Figura 28 – Polarización de un diodo en la dirección inversa

 Los portadores de carga acumulados en el material y separados por una región aislante forman una estructura muy similar a la de un capacitor común: el lugar donde las cargas son acumuladas corresponden a la armadura del capacitor y la región en la que no tenemos la conducción, alrededor de la junción corresponde al dieléctrico. En un capacitor común, la capacitancia obtenida depende de 3 factores: a) tamaño de la armadura, es decir, su superficie efectiva.b) distancia de separación entre la armadurac) material que se hace de dieléctrico (constante dieléctrica). En un diodo polarizado en la dirección inversa, la capacitancia presentada dependerá entonces del tamaño del material semiconductor usado (armaduras), de la separación entre las regiones donde se acumulen las cargas y de la constante dieléctrica del material semiconductor utilizado (silicio), como se muestra en la figura 28. 

Figura 29 – La capacitancia de un capacitor
Figura 29 – La capacitancia de un capacitor

 En los capacitores comunes, todos estos factores son fijos y en un capacitor variable podemos alterar la distancia de separación entre las armaduras, o incluso su superficie eficaz.En un diodo, sin embargo, hay un factor que puede ser alterado de una acción externa que es la distancia entre la armadura.Como en realidad, las armaduras de este capacitor "ficticio" que existen en el diodo se forman por los portadores de carga capaces de moverse dentro del material, podemos empujarlos lejos o acercarlos por la acción de un campo eléctrico, es decir aplicando una tensión externa.Si el diodo está apagado (tensión nula entre el ánodo y el cátodo), los portadores de la armadura están atrayendo y sólo si no se recombinan completamente, porque hay una barrera potencial en el cruce.Su distancia es entonces mínima y la capacitancia presentada por el componente es máxima, como se indica en la figura 30. 

Figura 30 – La capacitancia de una Junción PN
Figura 30 – La capacitancia de una Junción PN

 Aplicando una tensión en la dirección inversa, como su valor aumenta, hay una separación gradual de la "armadura", o los portadores de carga, que hace la capacitancia del dispositivo disminuir valor también.La tensión máxima que el diodo admite en el sentido inverso determina la capacitancia más pequeña que podemos alcanzar del diodo, como se muestra en el gráfico típico de un diodo en la figura 31. 

 Figura 31 – Variación de la capacitancia con tensión
Figura 31 – Variación de la capacitancia con tensión

 En la figura 32 tenemos los símbolos adoptados para representar a los Varicaps.  

Figura 32 - Símbolos de Varicap
Figura 32 - Símbolos de Varicap

 Comercialmente, encontramos tipos que pueden tener rangos de capacitancia que van desde valores relativamente pequeños a la operación en FM, VHF y UHF, hasta diodos de alta capacitancia, en condiciones de ausencia de tensión para operación en frecuencias bajas como, por ejemplo, en la sintonización de receptores AM. Schottky Los Diodos Schottky son relativamente nuevos componentes, puesto que fueron utilizados solamente hace unos 35 años. Sin embargo, sus características especiales las hacen ideales para ciertas aplicaciones donde los diodos de junción de silicio no se llevan tan bien como en los circuitos de conmutación rápida o en los circuitos donde una caída de tensión directa debe ser minimizada.Estos diodos especiales tienen una caída potencial en la dirección directa muy baja y, por lo tanto, cambian más rápidamente, pasando de estado no conductor a la conducción y viceversa muy rápidamente. Estos son los diodos Schottky  Ventajas Velocidad de conmutación muy rápidaCaída de tensión en dirección directa prácticamente nula (algunos micro Volts) Desventajas No soportan altas temperaturas (125°C a 175°C, mucho menos que el 200°C de los diodos comunes del silicioDificultad para fabricar con altas tensiones inversasTienen un alta corriente de la salida en la dirección opuesta. (Actualmente existen estas dificultades ya no existen) En la figura 33 tenemos las curvas características obtenidas para este componente, observando el voltaje muy bajo en el cual comienza a conducir cuando está polarizado en la dirección directa. 

Figura 33 – Curva característica de un diodo Schottky
Figura 33 – Curva característica de un diodo Schottky

 

 Tunnel

El diodo tunnel, tiene características de resistencias negativas que permiten su uso en circuitos similares a los osciladores de relajación con los transistores unijuntura, o las lámparas de neón. Sin embargo, los diodos de tunnel tienen algo más: pueden oscilar en frecuencias superiores a 1 Gigahertz, lo que los hace especialmente indicados para los circuitos de frecuencias ultra altas.Aunque los diodos tunnel no son componentes comunes, la posibilidad de utilizar estos componentes en proyectos puede ser interesante, cuando el requisito principal es simplicidad en circuitos muy de alta frecuencia.En la figura 34 tenemos el símbolo comúnmente adoptado para representar el diodo tunnel. 

 Figura 34 – Símbolo del diodo tunnel
Figura 34 – Símbolo del diodo tunnel

 Sus características de resistencia negativa vienen del uso de una protuberancia en la capa de depleción, que dota el componente de características de resistencia negativa.El nombre del componente proviene del hecho de que, a diferencia de los otros semiconductores en los que la resistencia de la barrera de potencial depende, hasta cierto punto, de la tensión aplicada, hay un momento donde estos portadores encuentran un túnel donde pueden pasar fácilmente dando como resultado una curva característica que se muestra en la figura 35.  

Figura 35 – Curva característica del diodo tunnel
Figura 35 – Curva característica del diodo tunnel

 Así, cuando aplicamos una tensión en la dirección directa el componente se comporta como un diodo común, hasta el momento en que alcanza el punto A. Este punto ocurre con unas pocas decenas de milivolts para los diodos comunes del tunnel y se llama "punto máximo". Sin embargo, a partir de este momento en que la tensión aumenta, en lugar de la corriente también aumentan disminuye abruptamente al llamado punto del valle que se muestra en B.En este pasaje entonces tenemos un comportamiento "anormal" para el componente que pasa a tener una resistencia negativa.Recordamos que la resistencia en el gráfico en cuestión es la cotangente del ángulo que la curva característica presenta en el punto apuntado y en este caso tenemos valores negativos para el paso entre A y B.Desde el punto B, el aumento de la tensión provoca de nuevo el aumento de la corriente, cuando entonces el componente va a presentar un comportamiento similar a otros componentes electrónicos.La característica importante de la resistencia negativa que este componente presenta y que es similar a dos transistores unijuntura y la propia lámpara neón, es que el tunnel que puede ser utilizado en osciladores de relajación e incluso amplificar señales.Como la acción del diodo tunnel es extremadamente rápida, que no ocurre con las lámparas de neón y transistores unijuntura, que velocidad de la operación limita su uso a los circuitos de en la mayoría de las docenas de quilohertz, los diodos tunnel se pueden utilizar en circuitos de altísima frecuencia, superando fácilmente los 1 000 MHz o 1 GHz.   

 


 

Contenido

Lección 1 <--

Lección 2

Lección 3

Lección 4

Lección 5

Lección 6

Lección 7

Lección 8

Lección 9

Lección 10

Lección 11

Lección 12

Banco de Circuitos

Circuitos Simulados

Ofertas de Empleo