DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 9 tríodo. Tuvo que trabajar con diferentes dispositivos antes de conseguir el tríodo. El tríodo lo hace incorporar la señal y amplificar su intensidad. A partir de 1907, hasta 1912, De Forest trabajó en el diseño de un sistema de radio, muy rústico, el cual trató de vender a los aficionados de la radio y a las fuerzas armadas. También formó una compañía para poder competir con la ATT en comunicaciones de larga distancia. Su radio podía transmitir y recibir voces, pero no pudo conseguir que sus triodos amplificaran en forma confiable. Hacia 1912 De Forest había alcanzado cierto control en el comportamiento del tríodo. Redujo la amplificación(el voltaje de la batería del ánodo). Esta reducción la compensó conectando varios triodos. Así construyó un amplificador, De Forest propuso su venta a la ATT. Cuando De Forest hizo la demostración de su amplificador a la ATT en octubre de 1912, los físicos de la empresa, Harold D. Arnold, Frank Jewett y Edwin Colpitts inmediatamente se percataron de que ese sistema era lo que buscaban. Dirigido por Arnold, la ATT inició un proyecto de investigación para entender y dominar los principios físicos del funcionamiento del tríodo y así poder construirlo eficazmente. En el transcurso de dos años Arnold y un grupo de 25 investigadores y asistentes de la ATT transformaron el débil y no muy confiable audión, en un amplificador muy potente y seguro. El tríodo así mejorado hizo posible que el servicio telefónico abarcara de costa a costa a Estados Unidos. Otras compañías hicieron progresos significativos y la electrónica con tubos al vacío se desarrolló de manera impresionante de 1912 a 1932. Durante la primera Guerra Mundial se usó mucho la radio y se construyeron tubos al vacío en grandes cantidades. Se utilizaron en 1915, en la radiotelefonía trasatlántica, para comunicar a Francia y Estados Unidos. A principios de la década de 1930 se construyeron tubos al vacío con más elementos entre el cátodo y el ánodo; éstos fueron el tetrodo, el pentodo. Desarrollo de la Radio. Un elemento crucial para el desarrollo de la radio fue el oscilador. Este circuito fue inventado en 1913 por el físico estadounidense Edwin Howard Armstrong (1890-1954). Es un circuito basado en un tríodo, de cuya salida se toma una parte de la corriente que se vuelve a alimentar a la entrada del tríodo, formando un circuito de retroalimentación. El primer programa público de radio fue emitido en Inglaterra el 23 de febrero de 1920. Así nació radio. En 1933 Armstrong inventó otro tipo de emisión de señales de radio: el de frecuencia modulada (FM). La transmisión por FM, iniciada comercialmente en Estados Unidos en febrero de 1941, comparada con la amplitud modulada (AM), tiene la ventaja de que sus transmisiones no se alteran con las perturbaciones, ya sean atmosféricas o producidas por el hombre, que afectan la amplitud de la onda pero no su frecuencia. En el sistema de FM no se presenta el llamado fenómeno de "estática", que es un ruido sistemático que se oye en emisiones de AM. La radio como la conocemos en la actualidad fue la creación de tres hombres: Lee de Forest, autonombrado "padre de la radio", cuya invención del tríodo hizo posible el nacimiento de la electrónica moderna; Edwin Howard Armstrong, inventor del circuito retroalimentador (y del oscilador) así como de la frecuencia modulada, que forman la base de la transmisión y recepción de los sistemas actuales de radio (y de televisión); finalmente, David Sarnoff, quien encabezó la Radio Corporation of America (RCA).
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 10 Desarrollo de la Televisión. Hace alrededor de un siglo, varias personas empezaron a considerar la posibilidad de enviar imágenes por medios eléctricos (o sea, lo que hoy en día hace la televisión). En 1884, el alemán Paúl Nipkow solicitó una patente para un sistema de televisión que él denominó "telescopio eléctrico". Este rústico aparato era dispositivo electromecánico que utilizaba una fotocelda para transformar luz en corriente eléctrica. La imagen no reproducía los detalles finos. Variaciones de este se diseñaron hasta 1930 sin que realmente tuviesen éxito. En una reunión de la Sociedad Roentgen, efectuada en Inglaterra en 1911, el ingeniero eléctrico A. A. Campbell Swinton presentó un esquema de sistema de televisión, que es el que se usa en la actualidad. La escena que se desea transmitir se enfocaría sobre una placa hecha de material no conductor de electricidad, por ejemplo de mica, la cual se encuentra dentro de un tubo de rayos catódicos. Este tubo fue inventado a mediados del siglo XIX por William Crookes para estudiar las propiedades de las corrientes eléctricas a través de gases. Para el receptor, Campbell Swinton escogió un tubo de rayos catódicos diseñado en 1897 por Ferdinand Braun, de la Universidad de Estrasburgo, en ese entonces parte de Alemania. Este tubo, llamado cinescopio, es de vidrio al vacío y tiene en su fondo una pantalla de material fluorescente, como fósforo, que emite luz cuando un haz de electrones incide sobre él. A medida que el haz electrónico barre la superficie de la pantalla, ésta se va iluminando punto por punto. Esta fue una idea de Campbell Swinton que casi describe la actual tecnología de la televisión. Campbell Swinton creó el diseño conceptual sobre el cual personas trabajarían. Fue Vladimir Zworykin (1889-1982), un ingeniero ruso inmigrado a Estados Unidos en 1919 quien construyó la primera cámara práctica. En 1924 mostró a la compañía Westinghouse una versión primitiva, pero que funcionaba. Las imágenes eran débiles y vagas, casi sombras. Los directivos de la empresa no se impresionaron tampoco cuando Zworykin les mostró una versión mejorada en 1929. A quien sí impresionó Zworykin fue a David Sarnoff, director de otra compañía, la RCA Victor, quien creía en la promesa comercial de la televisión. Zworykin fue contratado en 1930 por la RCA como director de investigación electrónica y en 1933 finalmente convenció a Sarnoff de que su cámara, a la que llamó iconoscopio (del griego iekon, imagen, y skopon, ver), y su cinescopio eran satisfactorios. Campbell Swinton había propuesto que fueran de rubidio, pero Zworykin descubrió que era mejor cubrir plata con óxido de cesio. La RCA probó por primera vez un sistema completo en 1933. Transmitió imágenes de 240 líneas a una distancia de siete kilómetros en Colligswood, Nueva Jersey. Aumentaron el número de líneas; actualmente se usan 525. En 1938 la RCA tuvo listo un sistema de televisión en funcionamiento. Por problemas burocráticos el gobierno no aprobó la licencia de funcionamiento hasta julio de 1941. Durante los años de la segunda Guerra mundial, científicos e ingenieros dirigidos por Zworykin desarrollaron una cámara 100 veces más sensible que el iconoscopio, al terminar la guerra, la RCA reinició sus trabajos en el campo de la televisión. Integración de chips, computadoras… El transistor, se empezó a utilizar a finales de la década de 1940, se consideró en su época como una maravilla de lo compacto, comparado con el tamaño de los tubos al vacío. A partir de 1950 el tamaño de los dispositivos electrónicos se ha reducido. En 1960, se empezó a usar la palabra microelectrónica, un bloque (chip) de silicio de un área de 0.5 cm² podía contener de 10 a 20 transistores con varios diodos, resistencias y condensadores. Hoy en día tales bloques pueden contener varias docenas de miles de componentes.
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 11 A medida que la microtecnología electrónica se desarrolló, se aplicó a computadoras comerciales. Se diseñaron diferentes dispositivos portátiles como las calculadoras. Cada componente que se usaba en un circuito electrónico estaba hecho de materiales que tuviesen las características requeridas para su funcionamiento. Se utilizó el tungsteno para los cátodos de un tubo al vacío, cerámica para condensadores, carbón para resistencias. Hacia mediados de la década de 1950 se construyeron circuitos electrónicos en laboratorios industriales de dos compañías estadounidenses, Texas Instruments y Fairchild Semiconductor. De esta manera se han construido un sinnúmero de aparatos y dispositivos microelectrónicos que distinguen la época en que vivimos: relojes de mano, robots, microcomputadoras y otros. Desarrollo de la electrónica en el mundo. En computación, el hardware configurable, la computadoras ópticas y la computación molecular. En las computadoras ópticas haces de luz remplazan a las conexiones metálicas (de cobre). Estas serán de mayor capacidad, más rápidas, de menor consumo energético y ocuparan menos espacio. En transporte terrestre, los trenes voladores MAGLEV (Magnetically Levitated Vehicles), los automóviles eléctricos y electrónicos, y los automóviles inteligentes serán las tecnologías responsables del desplazamiento rápido y seguro de las personas. Los trenes voladores son vehículos que corren a velocidades cercanas a los 500 Km/h. Electroimanes de gran potencia se usan para generar las fuerzas de suspensión, conducción, tracción y frenado del tren. El tren japonés HSST con suspensión magnética repulsiva, y el Transrapid alemán con suspensión magnética atractiva, son dos prototipos MAGLEV que en la práctica han demostrado que velocidades cercanas a los 500 Km/h son posibles. En los automóviles eléctricos, los motores de combustión son remplazados por motores eléctricos alimentados por baterías recargables. Estos automóviles eléctricos son más eficientes (en términos de energía/distancia) y más limpios (no emiten gases contaminantes) que los vehículos con motores de combustión. Estos surgen como una respuesta necesaria a la contaminación ambiental y al agotamiento de las reservas mundiales de petróleo. En los automóviles electrónicos, las conexiones mecánicas son remplazadas por cables eléctricos que conectan las diferentes partes del vehículo. Los automóviles inteligentes son vehículos capaces de cooperar con el conductor (copiloto automático) o capaces de asumir todas las funciones del conductor (piloto automático). Estos vehículos vendrán equipados con sistemas de navegación basado en satélites (sistemas GPS), con video-cámaras para "ver", con micrófonos para "escuchar" y con parlantes para "hablar". Junto con los automóviles inteligentes se tendrán también las pistas inteligentes que se encargan de conducir vehículos sin la necesidad de un conductor. Las pistas inteligentes se han planteado como una solución a las insoportables congestiones de tránsito vehicular. El Sistema de Autopistas Automáticas de Alta Velocidad (Automated Highway System) que se viene desarrollando en California, EE. UU. En el campo de las comunicaciones, las redes completamente ópticas se impondrán como la tecnología más eficiente para transmisiones intensivas en data (voz, fax, video) entre millones de terminales. En teoría una fibra óptica simple puede transmitir a una velocidad de 100 veces superior a la velocidad de transmisión en cables de cobre. La tecnología láser ha evolucionado rápidamente desde su comienzo a mediados de 1950. El Sistema de Láser Aerotransportado (ABL) y Sistema Láser Basado en el Espacio (SBL) son
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 12 precursores de una clase enteramente nueva de armamento. El aprovechamiento del láser para la desviación de escombros en órbita es algo está en investigación. La desviación con láseres de asteroides, meteoritos, y cometas es probablemente la misión espacial internacional más importante para nuestro planeta: la Tierra, en el siglo que comienza. La Tierra ha recibido impactos varias veces en el pasado y recibirá impactos semejantes en el futuro. Las máquinas inteligentes, los materiales inteligentes y el software inteligente serán una realidad considerando la gran rapidez que tendrán los futuros microprocesadores. Las máquinas inteligentes serán capaces de aprender, inferir, pensar, juzgar, memorizar, recordar y mejorar de manera muy similar a la del ser humano. Los materiales inteligentes son aquellos capaces de modificar su estructura interna de manera que no se dañen ante el efecto de sobrecargas (como terremotos). Se tienen las cámaras y video-cámaras digitales (no más revelado de fotos), las cirugías laparascópicas computarizadas, los órganos artificiales, los robots que harán actividades del hogar e industrias. I. DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES Un semiconductor es un elemento material cuya conductividad eléctrica puede considerarse situada entre las de un aislante y la de un conductor, considerados en orden creciente Los semiconductores más conocidos son el silicio (Si) y el germanio (Ge). Debido a que, como veremos más adelante, el comportamiento del silicio es más estable que el germanio frente a todas las perturbaciones exteriores que pueden variar su respuesta normal, será el primero (Si) el elemento semiconductor más utilizado en la fabricación de los componentes electrónicos de estado sólido. A él nos referiremos normalmente, teniendo en cuenta que el proceso del germanio es absolutamente similar. Como todos los demás, el átomo de silicio tiene tantas cargas positivas en el núcleo, como electrones en las órbitas que le rodean. (En el caso del silicio este número es de 14). El interés del semiconductor se centra en su capacidad de dar lugar a la aparición de una corriente, es decir, que haya un movimiento de electrones. Como es de todos conocido, un electrón se siente más ligado al núcleo cuanto mayor sea su cercanía entre ambos. Por tanto los electrones que tienen menor fuerza de atracción por parte del núcleo y pueden ser liberados de la misma, son los electrones que se encuentran en las órbitas exteriores. Estos electrones pueden, según lo dicho anteriormente, quedar libres al inyectarles una pequeña energía. En estos recaerá nuestra atención y es así que en vez de utilizar el modelo completo del átomo de silicio (figura 1), utilizaremos la representación simplificada (figura 2) donde se resalta la zona de nuestro interés.
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 13 La zona sombreada de la figura 2 representa de una manera simplificada a la zona sombreada de la figura 1
Como se puede apreciar en la figura, los electrones factibles de ser liberados de la fuerza de atracción del núcleo son cuatro
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 14 1. TEORÍA BANDAS. CONDUCTORES Y AISLANTES. En los átomos aislados, es decir, tan alejados de otros que no sea apreciable la interacción con éstos, los electrones corticales están distribuidos energéticamente según valores discretos que vienen determinados por las soluciones de la ecuación fundamental de la Mecánica Cuántica que es la Ecuación de Schrödinger (E.S.) (Schrödinger y Dirac, Nobel de Física en 1933). A cada electrón cortical corresponden 4 números denominados números cuánticos: n, l, ml, y ms. El número cuántico n determina el nivel energético o lo que es lo mismo su mayor o menor alejamiento del núcleo. La energía de los electrones es negativa (hay que aportar energía para desligarlos del átomo) y mayor energía equivale a más alejamiento del núcleo. Así pues, los electrones sólo pueden poseer unos niveles energéticos determinados, y cualquier otra energía estaría "prohibida". Este modelo de niveles de energía discretos, está de acuerdo con las observaciones sobre emisión y absorción de luz en gases incandescentes, donde se observan espectros discretos. En un sólido cristalino existe una distribución regular de átomos en el espacio, que constituye la llamada red cristalina. En algunos sólidos esta distribución regular se manifiesta macroscópicamente en formas geométricas llamadas cristales, (cuarzo, diamante,..). En los sólidos cristalinos, las interacciones entre los átomos de la red hacen que el problema de la distribución energética de los electrones sea muchísimo más complicado que en un átomo aislado pero, dentro de los postulados, resulta razonable suponer que los niveles permitidos al conjunto de electrones del sólido, se acumulan en bandas de energía separadas unas de otras por intervalos o bandas de energía prohibidas. La emisión de luz por sólidos incandescentes es un hecho experimental que avala la anterior hipótesis. Dentro de cada banda permitida los niveles estarían tan próximos entre sí, que las consideraremos bandas permitidas continuas. Si suponemos un sólido cristalino a la temperatura de 0 K (situación inalcanzable), los electrones ocuparían los niveles de energía permitidos más bajos posible. Cabrían dos posibilidades: 1. La banda permitida de mayor energía está ocupada parcialmente. 2. La banda permitida de mayor energía está totalmente vacía y todas las demás están llenas. La banda de mayor energía, tanto si está vacía ó parcialmente llena, se llama banda de conducción, mientras que la siguiente de menor energía la llamaremos banda de valencia. En el primer caso, los electrones de la banda de conducción pueden tomar energía de un campo eléctrico aplicado y pasar a niveles superiores compatibles con el principio de exclusión de Pauli incrementando su momento cinético. La interacción con partículas del cristal podrá dar lugar a saltos de energía a la inversa. Esto supone desde luego el abandono del cero absoluto y la aparición de un desplazamiento de la carga eléctrica, es decir una corriente. El material por tanto sería un conductor. Tal es el caso de los metales. En el segundo caso, en las bandas totalmente llena no son posibles las interacciones que supongan saltos de unos niveles a otros, según el principio de exclusión. Las interacciones posibles implicarían saltos a la banda de conducción (que está totalmente vacía), pero la cantidad de energía necesaria sería muy grande y el
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 15 proceso no puede darse cerca del cero absoluto. Por lo tanto, a bajas temperaturas, el material tiene un comportamiento de aislante. Es el caso de los materiales no metálicos con enlaces cristalinos covalentes. La distinción clara entre metales y no metales a bajas temperaturas desaparece cuando nos alejamos del cero absoluto. En efecto, la agitación térmica permite los saltos desde la banda de valencia a la de conducción, con lo que ésta aparece parcialmente ocupada como en los metales. En los metales a temperaturas de trabajo, un aumento de la temperatura se traduce en un aumento de la agitación térmica, lo que a su vez produce una mayor frecuencia de las interacciones entre electrones y partículas y por consiguiente, una disminución del recorrido medio de los electrones entre choques, una disminución de la velocidad media de los mismos y finalmente una disminución de la conductividad. En los materiales cristalinos no metálicos, un incremento de la temperatura aumenta la probabilidad de saltos desde la banda de valencia a la de conducción. Al quedar ambas parcialmente ocupadas, ya son posibles los intercambios de energía entre niveles de la misma banda. A la vez aumenta la agitación térmica como en los metales. Se trata de los mecanismos opuestos y no se puede afirmar si la conductividad aumentará o disminuirá. De hecho puede ocurrir lo uno por otro, según el orden de magnitud de la temperatura. En los metales, los electrones que ocupan la banda de conducción son los electrones no ligados a átomos individuales y constituyen lo que suele denominarse gas de Fermi. La imagen no cuántica (clásica) sería la de una especie de plasma de electrones en el que están inmersos los átomos ionizados (enlaces metálicos). El resto de los electrones ligados a átomos individuales ocuparían las bandas inferiores (totalmente llenas). 2. SEMICONDUCTORES. ELECTRONES Y HUECOS. 2.1 Semiconductores intrínsecos. El semiconductor más importante es sin duda el silicio (Si) de número atómico 14 y perteneciente al grupo IV-A de la clasificación periódica, grupo al que también pertenecen el carbono (C, número atómico 6) y el germanio (Ge, número atómico 32). Los elementos de este grupo se caracterizan por poseer en la última capa cuatro electrones. Cristalizan todos ellos en el mismo sistema y la celda y unitaria es un tetraedro regular con un electrones cada vértice y uno más en el centro. El enlace covalente consiste en la compartición de los cuatro electrones de valencia de cada átomo con los cuatro átomos contiguos para simular así una estructura con ocho electrones en la capa más externa, que corresponde a un estado cristalino de gran estabilidad. La anchura de la banda prohibida es muy diferente para estos tres materiales. Para el carbono (estructura diamante) es de unos 13 eV, la del silencio es de 1,1 eV aproximadamente y la del germanio 0.7 eV. La del carbono resulta tan grande que la probabilidad de saltos entre banda de valencia y banda de conducción es prácticamente nula y el material es un aislante. Para el germanio y silicio el valor es tal que la
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 16 probabilidad no es nula y además depende fuertemente de la temperatura. Por ello estos dos materiales que forman parte del grupo de los llamados semiconductores. Como hemos visto, fuera del cero absoluto, tanto en la banda de conducción como en la banda de valencia existen electrones y niveles desocupados, por lo que, al aplicar un campo eléctrico, se puede producir una absorción de energía por parte de los electrones y por lo tanto un arrastre de los mismos. Hay por lo tanto una corriente eléctrica en la que intervienen las bandas de conducción y de valencia. En la banda de conducción el mecanismo es análogo al que se explica la conductividad de los metales. En la de valencia, el mecanismo puede interpretarse de forma diferente. Cada nivel desocupado corresponde al abandono de un electrón que ha pasado a la banda de conducción, o dicho de otra forma, a la rotura de un enlace covalente. Si en la banda de valencia, un electrón cambia de nivel como consecuencia de su arrastre por un campo eléctrico, o sea, un electrón de un enlace covalente intacto lo abandona y pasa a completar otro previamente roto, podríamos describir este mecanismo como si lo que se desplazara fuese el enlace roto en lugar del electrón. Naturalmente el enlace roto, que corresponde a un nivel desocupado, se desplaza en sentido contrario a los electrones. Resulta conveniente considerar al enlace roto como una carga eléctrica móvil, a la que denominaremos un hueco, e interpretar la corriente eléctrica como formada por dos tipos de portadores: los electrones de la banda de conducción (cargas móviles negativas) y los huecos de la banda de valencia (cargas móviles positivas). Estamos suponiendo un cristal sin impurezas ni defectos. Un semiconductor así se denomina semiconductor intrínseco. Los portadores de corriente existen, según lo explicado, por parejas. Estamos suponiendo que tenemos energía térmica, es decir que no estamos en el cero grados kelvin. Entonces, un electrón de la banda de valencia puede incrementar su energía tomándola de la agitación térmica y pasando a la banda de conducción donde existen niveles desocupados. Así se crea una pareja de portadores electrón-hueco. Este mecanismo se denomina generación de pares y naturalmente dependerá de la temperatura. El proceso inverso, es decir, la pérdida de energía de un electrón de la banda de conducción pasando a la de valencia, se puede considerar como la aniquilación de un par electrón-hueco y se denomina recombinación de pares. La recombinación es un mecanismo de tipo estadístico y por lo tanto dependerá del número de electrones libres y del número de huecos. Generación y recombinación son mecanismos antagónicos y la densidad de electrones, n, y de huecos, p, en situación de equilibrio se establecerán cuando las tasas degeneración y recomendación sean iguales. Llamaremos nj al número de pares en un semiconductor intrínseco, naturalmente dependerá de la temperatura, T, y en este caso se verificará: n = p = nj (T)
.s-1 .s-1 Densidad Temp. de prohibida (g.cm-3) DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 17 µ n Material cm2.V- 1 µ p cm2.V- 1 ?(? .cm) Constante de red x 10-10 m e r fusión Banda
ºC (eV) Si
Ge 1350
3900 480
1900 2.5×105
43 5.43
5.66 11.8
16 2.33
5.32 1415
936 1.11
0.67 2.2 Semiconductores extrínsecos
Los semiconductores reales no son nunca puros sino que tienen impurezas, es decir no todos los átomos son del elemento base (Si por ejemplo). Sin embargo, se intenta que las impurezas incontroladas sean sumamente escasas, para lo cual el proceso de fabricación debe ser extraordinariamente cuidadoso. Por el contrario, se añaden impurezas de determinado tipo y en proporciones cuidadosamente controladas. Así se tienen dos tipos de semiconductores impurificados, denominados extrínsecos.
2.3 Semiconductores dopados
Si aplicamos una tensión al cristal de silicio, el positivo de la pila intentará atraer los electrones y el negativo los huecos favoreciendo así la aparición de una corriente a través del circuito Sentido del movimiento de un electrón y un hueco en el silicio
Ahora bien, esta corriente que aparece es de muy pequeño valor, pues son pocos los electrones que podemos arrancar de los enlaces entre los átomos de silicio. Para aumentar el valor de dicha corriente tenemos dos posibilidades: • • Aplicar una tensión de valor superior Introducir previamente en el semiconductor electrones o huecos desde el exterior
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 18
La primera solución no es factible pues, aún aumentando mucho el valor de la tensión aplicada, la corriente que aparece no es de suficiente valor. La solución elegida es la segunda.
En este segundo caso se dice que el semiconductor está "dopado".
El dopaje consiste en sustituir algunos átomos de silicio por átomos de otros elementos. A estos últimos se les conoce con el nombre de impurezas. Dependiendo del tipo de impureza con el que se dope al semiconductor puro o intrínseco aparecen dos clases de semiconductores: Semiconductor tipo N, Semiconductor tipo P
2.3.1 Semiconductores tipos N.
Cuando las impurezas añadidas son predominantemente del grupo V-A de la tabla periódica (fósforo (P), arsénico (As), antimonio (Sb)), el semiconductor se denomina tipo N y las impurezas se denominan donantes. Los átomos de este grupo poseen en su última capa 5 electrones. Así por ejemplo, si un átomo de Si, por ejemplo, es sustituido por un átomo de As , tras formar los 4 enlaces covalentes con los 4 átomos de Si vecinos, queda un electrón del átomo de As sin emparejar y por lo tanto tan débilmente ligado al átomo de As, que a temperatura poco por encima del 0 K quedará libre, es decir, ocupando un nivel de la BC. Como esto ocurrirá con cada átomo de impureza de As, en la BC tendremos, además de los electrones debidos a la generación de pares, un electrón por cada átomo de impureza donante, o sea, que tendremos más electrones en la BC que huecos: n > p. Así pues, los portadores mayoritarios son los electrones y los minoritarios son los huecos. En la práctica, en los SC tipo N los electrones de la BC son en su mayoría donados por los átomos de impureza donante, hasta el punto que se puede suponer que n »Nd, siendo Nd la densidad de impurezas donantes (nº de átomos de impureza en 1 cm3).
Si en una red cristalina de silicio (átomos de silicio enlazados entre sí)….
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 19 Enlace covalente de átomos de germanio, obsérvese que cada átomo comparte cada uno de sus electrones con otros cuatro átomos
…. sustituimos uno de sus átomos (que como sabemos tiene 4 electrones en su capa exterior) por un átomo de otro elemento que contenga cinco electrones en su capa exterior, resulta que cuatro de esos electrones sirven para enlazarse con el resto de los átomos de la red y el quinto queda libre.
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Semiconductor dopado tipo N
A esta red de silicio "dopado" con esta clase de impurezas se le denomina "Silicio tipo N"
En esta situación hay mayor número de electrones que de huecos. Por ello a estos últimos se les denomina "portadores minoritarios" y "portadores mayoritarios" a los electrones
Las Impurezas tipo N más utilizadas en el proceso de dopado son el arsénico, el antimonio y el fósforo
Está claro que si a un semiconductor dopado se le aplica tensión en sus bornas, las posibilidades de que aparezca una corriente en el circuito son mayores a las del caso de la aplicación de la misma tensión sobre un semiconductor intrínseco o puro.
2.3.2 Semiconductores tipos P.
Cuando las impurezas añadidas son predominantemente del grupo III-A de la tabla periódica (aluminio (Al), galio (Ga), indio (In)), el semiconductor se denomina tipo P y las impurezas se denominan aceptantes. Los átomos de este grupo poseen en su última capa 3 electrones. Así por ejemplo, si un átomo de Si, es sustituido por un átomo de Ga , tras formar los 4 enlaces covalentes con los 4 átomos de Si vecinos, queda un enlace sin completar. A temperatura poco por encima del 0 K lo ocupará un electrón de la BV, que dejará un hueco la BV. Como esto ocurrirá con cada átomo de impureza de Ga, en la BV tendremos, además de los huecos debidos a la generación de pares, un hueco por cada átomo de impureza aceptante, o sea, que tendremos más huecos en la BV que electrones en la BC: p>n. Así pues, los portadores mayoritarios son los huecos y los minoritarios son los electrones. En la práctica, en los SC tipo P, los huecos son en su mayoría debidos a los átomos de impureza aceptante, hasta el punto que se puede suponer que p ˜Na, siendo Na la densidad de impurezas aceptantes (nº de átomos de impureza por cm3).
Como hemos dicho la tasa de generación de pares, a (T), (nº de pares electrón-hueco generados por unidad de tiempo) es únicamente dependiente de la temperatura. El proceso antagonista, la recombinación o aniquilación de pares, es probabilístico y por lo tanto la tasa de pares electrón-hueco aniquilados por unidad de tiempo, será proporcional al producto n.p. Cuando ambos mecanismos estén equilibrados n.p = a (T), con independencia del grado de impurificación. Por lo tanto, para un SC intrínseco, se verificará que ni2= a (T); y finalmente de las dos relaciones anteriores se deduce la llamada ley de acción de masas: n.p = ni2 (1) Así pues, para un SC tipo N real, se puede considerar que n ˜ Nd y por la ecuación (1) p ˜ ni2 / Nd y naturalmente n >> p; igualmente, para un SC tipo P, p ˜ Na y n ˜ ni2 / Nay n EF …………. F ? 0
Si E < EF …………. F ? 1 Lo que quiere decir que en el cero absoluto no hay electrones por encima del nivel de Fermi y, por debajo del mismo, todos los niveles estarán ocupados. Por consiguiente, dada la diferenciación que hemos establecido anteriormente entre semiconductores y aislantes, resulta: 1. En los conductores, el nivel de Fermi se sitúa dentro de la banda de conducción estando ocupados todos los niveles por debajo del nivel de Fermi y no habiendo electrones con energía superiores a EF. 2. En los semiconductores, el nivel de Fermi estará forzosamente la banda prohibida entre la de conducción y la de valencia. b-Fuera del cero absoluto (T>0 K): Si E = EF …….. ….. F = 1/2 F = 0 y F = 1 son asíntotas a cualquier T. (ver figuras 1 y 2)
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6. LOCALIZACIÓN DEL NIVEL DE FERMI.
a – Conductores:
Ya hemos dicho que el nivel de Fermi se encuentra en la banda de conducción. Si extrapolamos al cero absoluto, todos los niveles comprendidos entre Ec y EF estarán ocupados, por lo que para calcular cuántos electrones de la banda de conducción hay por unidad del volumen bastará integrar la función Sc(E) entre Ec y EF: Hemos supuesto que KC sólo depende de la temperatura, por lo que se ha sacado fuera de la integral. Esto es aproximadamente cierto para la banda de conducción de los metales. Como la densidad de electrones en la banda de conducción no depende de la temperatura, conociendo dicha densidad, N=n(0), podemos localizar el nivel de Fermi a partir de la (11): b- Semiconductores:
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Para empezar, supondremos que las bandas de conducción y de valencia con sus respectivos portadores electrones y huecos, tienen un comportamiento simétrico. Más concretamente supongamos dos intervalos estrechos entre E1 y E1+dE en la banda de conducción y entre E2 y E2-dE en la banda de valencia, tales que E1+ E2 = EC+ EV. A ambos les corresponderá la misma densidad de estados y por lo tanto la relación entre el número de electrones y de huecos en dichos intervalos energéticos será: Si E1-EFy EF-E2son suficientemente mayores que kT, las exponenciales serán mucho mayores que la unidad y por lo tanto la podría escribirse así: y podemos escribir:
en donde: Es la separación energética del nivel de Fermi respecto al nivel central de la banda prohibida que está entre las de conducción y la de valencia. Luego podremos poner la (13) así: Como la (10) es independiente de la pareja de niveles de E1 y E2elegidos, pondremos ponerla finalmente así:
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 28 Ecuación que nos sitúa el nivel de Fermi con relación a las bandas de energía. Si consideramos además la ley de acción de masas, podemos escribir la (18) así:
En los semiconductores tipo N, n > p, lo cual implica que ? E >0, es decir que el nivel de Fermi se aproxima a la banda de conducción tanto más cuanto más fuertemente impurificado esté. Para fuertes impurificaciones será n ? Nd y En los semiconductores tipo P, p > n, lo cual implica que ? E < 0, es decir que el nivel de Fermi se aproxima a la banda de valencia tanto más cuanto más fuertemente impurificado esté. Para fuertes impurificaciones será p ? Na y Para los semiconductores intrínsecos, p = n, lo que implica que ? E = 0, es decir que el nivel de Fermi está exactamente en el centro de la banda prohibida.
Si se eleva la temperatura, ni(T) crece y tanto n/ni como n/p tienden a la unidad, lo que equivale a decir que los materiales tienden a comportarse como intrínsecos para temperaturas elevadas.
7. LA UNIÓN N-P.
La unión de un cristal de un semiconductor tipo N con otro tipo P tiene un comportamiento que la hace interesante en aplicaciones tanto analógicas como digitales. Esta unión da lugar a una familia de dispositivos básicos denominados diodos y a otros dispositivos más complejos y tecnológicamente aún más interesantes, que se denominan transistores de unión.
Para describir el comportamiento de la unión N-P, nos basaremos en las propiedades, descritas anteriormente, de los semiconductores intrínsecos y dopados. El proceso de fabricación implica dopar una parte de un cristal de forma que se comporte como de tipo P y otra parte del mismo de forma que se comporte como de tipo N. Es decir, en ningún momento las partes N y P están separadas. Sin embargo, para describir los fenómenos que explican el comportamiento de la unión, resulta pedagógico suponer que inicialmente
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los bloques N y P están separados y que en algún instante inicial se unen. Hecha esta suposición, vamos a describir lo que ocurre a partir del instante inicial. Lo interesante de los semiconductores es cómo se comportan cuando se juntan dos o más.
Por si mismo, un semiconductor dopado no es más que una resistencia eléctrica y hay modos mucho más fáciles de crear una resistencia.
El dispositivo que aparece arriba a la izquierda es una unión PN (un material dopado P se coloca junto a un material dopado N). Así se forma un diodo.
En la esquina inferior izquierda aparece la configuración de los dopantes: cómo estarían los electrones y los huecos si se colocasen ambos materiales uno junto a otro, pero sin tocarse.
Cuando se forma una unión PN, las cargas y los huecos que se encuentran en la interacción se combinan y se aniquilan. Esto crea una zona de agotamiento alrededor de la unión en la que hay una falta neta de transportes. De nuevo, nótese que, dado que un electrón negativo se aniquila con un hueco positivo, la estructura de la red permanece neutral.
La aniquilación de transportes libera energía, lo que se puede utilizar para generar fotones de luz (como en el caso de los diodos electroluminiscentes o LED) y la luz también se puede utilizar para crear transportadores, como en el caso de los fotodiodos y los fototransistores. Esto se presentará más adelante.
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 30 La falta de transportes de carga en la interacción de una unión PN significa que hay una separación de carga en la unión (dado que los dopantes no se ven afectados en modo alguno por la aniquilación de transportadores). La separación de la carga introduce un campo eléctrico a través de la unión y este voltaje a. Nótese que, aunque hay una separación de carga, no hay exceso de carga, por lo que el dispositivo es eléctricamente neutro.
El área de un campo eléctrico (o separación de carga) se llama zona de agotamiento porque la aniquilación de transportadores de carga crea en una zona en la unión en la que no hay transportadores.
En dispositivos de silicio, la separación de carga produce un voltaje de 0.7 V a través de la interacción. Este es el origen del voltaje necesario para encender un diodo.
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 31
8. EL DIODO DE UNIÓN.
El dispositivo de estado sólido más simple es en realidad la unión PN tal como ha sido descrita anteriormente y que se denomina tecnológicamente diodo de unión. El comportamiento simplificado corresponde de este diodo idealizado responde a la siguiente expresión: Denominada ecuación de Schockley. La representación gráfica la vemos en la figura 8.1(a). En ella observamos que en polarización directa el dispositivo se comporta como una resistencia pequeña (casi como un cortocircuito), mientras que en polarización inversa el dispositivo es como una resistencia muy elevada (casi un circuito abierto). a) Polarización directa b) Polarización inversa Figura 8.1
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 32 La esencia de la acción de una unión PN polarizada directamente es que se pueden inyectar transportadores mayoritarios. Así, a una unión PN con un voltaje positivo que la atraviesa se le inyectan electrones en la región n y huecos en la región p, por lo que, si el voltaje que cruza el dispositivo es suficiente para superar el voltaje de la unión, la corriente fluirá.
Cuando la polarización de una unión PN es directa, la corriente de difusión es mucho mayor que la corriente minoritaria, que se puede ignorar.
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 33
En el caso de la polarización inversa, la unión pasa a estar aún más agotada de transportadores y la corriente importante es la corriente transportadora minoritaria (o corriente inversa de saturación), que es pequeña en comparación con la corriente directa del caso de polarización directa, pero que hay que tenerla en mente para algunas aplicaciones.
La corriente portadora minoritaria no se ve influenciada por el voltaje que atraviesa la unión, y es una mera propiedad del material. En el silicio es baja y en el germanio es de alrededor microamperio. Esta es la principal razón por la que el silicio se encuentra más en diodos y transistores. En las figuras 8.2 (b) y 8.3 (a) y (b), vemos otras aproximaciones del diodo, válidas cada una de ellas en diferentes circunstancias.
El hecho de que en todo caso el diodo presente dos estados tan netamente diferenciados hace que el diodo pueda servir para representar físicamente los 2 valores de una variable binaria; por ejemplo, el estado de polarización directa, que en los circuitos digitales se suele denominar ON, podría representar el valor 1 de una variable booleana, mientras el estado de polarización inversa, o estado OFF, podría representar el valor 0 de la misma variable. Así pues, se pueden diseñar circuitos digitales usando diodos de unión; sin embargo, por tratarse de elementos pasivos, su utilidad en este campo es limitada. (a) (b) Figura 8.2
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 34 (a) (b) Figura 8.3
8.1 Limitaciones de los diodos reales.
Tanto en sentido directo como en sentido inverso, en el diodo se produce una disipación de energía calorífica, que eleva la temperatura de la unión por encima de la temperatura ambiente. A su vez hay una cesión de calor desde el diodo al ambiente. La temperatura alcanzada por la unión se puede cuantificar de forma aproximada por una expresión como esta:
donde Ta es la temperatura ambiente, I la intensidad que circula por el diodo, V la d.d.p. entre los extremos del diodo y ? es la llamada resistencia térmica del diodo. Esta dependerá de las facilidades del circuito para refrigerarse: cuanto menor sea ? , más potencia podrá disipar el diodo sin calentarse peligrosamente. Por lo tanto en polarización directa habrá una intensidad Imax, que no deberá sobrepasarse para no alcanzar una temperatura excesiva (175 a 200 C). En sentido inverso, la intensidad es muy pequeña (Is), pero crece con la temperatura y si se sobrepasa un cierto valor de d.d.p. Vmax, puede producirse un efecto de inestabilidad térmica realimentado que acabe quemando el diodo. Estos efectos y otros que veremos a continuación no están descritos por ninguno de los modelos simplificados que hemos visto anteriormente.
En polarización inversa puede presentarse el llamado efecto avalancha: si la tensión inversa aplicada alcanza un determinado valor, el campo eléctrico puede acelerar los pocos electrones libres de la zona de depleción, que, a su vez, pueden arrancar por colisión electrones de valencia. Estos son a su vez acelerados alcanzando gran velocidad y siendo capaces de colisionar y arrancar nuevos electrones. Por lo tanto se llega a producir una avalancha de corriente inversa, que en los diodos ordinarios produciría probablemente una excesiva elevación de la temperatura y su avería.
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 35
Rectificación de media onda y rectificación de onda completa.
Este es el circuito más simple que puede convertir corriente alterna en corriente continua. Este rectificador lo podemos ver representado en la siguiente figura: D1
1N4004 TR1 R1 10k
TRAN-2P2S
Figura 8.3a Circuito Rectificador de Media Onda
Durante el semiciclo positivo de la tensión del primario, el bobinado secundario tiene una media onda positiva de tensión entre sus extremos. Este aspecto supone que el diodo se encuentra en polarización directa. Sin embargo, durante el semiciclo negativo de la tensión en el primario, el arrollamiento secundario presenta una onda sinusoidal negativa. Por tanto, el diodo se encuentra polarizado en inversa.
La onda que más interesa es VL, que es la que alimenta a R1. Pero es una tensión que no tiene partes negativas, es una "Tensión Continua Pulsante", y nosotros necesitamos una "Tensión Continua Constante". Analizaremos las diferencias de lo que tenemos con lo que queremos conseguir.
La siguiente figura muestra un rectificador de onda completa con 2 diodos:
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 36 D1
1N4004 R1 10k TR1 TRAN-2P3S D2
1N4004 Figura 8.3b Circuito Rectificador de Onda Completa
El rectificador superior funciona con el semiciclo positivo de la tensión en el secundario, mientras que el rectificador inferior funciona con el semiciclo negativo de tensión en el secundario.
Es decir, D1 conduce durante el semiciclo positivo y D2 conduce durante el semiciclo negativo. Así pues la corriente en la carga rectificada circula durante los dos semiciclos.
En este circuito la tensión de carga VL, como en el caso anterior, se medirá en la resistencia R1.
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 37 R1 10k TR1 BR1 D1
D2 D4
D3 TRAN-2P2S BRIDGE
Figura 8.3c Circuito Rectificador de Onda Completa con Puente
Mediante el uso de 4 diodos en lugar de 2, se elimina la necesidad de la conexión intermedia del secundario del transformador. La ventaja de no usar dicha conexión es que la tensión en la carga rectificada es el doble que la que se obtendría con el rectificador de onda completa con 2 diodos.
Durante el semiciclo positivo de la tensión de la red, los diodos D1 y D3 conducen, esto da lugar a un semiciclo positivo en la resistencia de carga.
Los diodos D2 y D4 conducen durante el semiciclo negativo, lo que produce otro semiciclo positivo en la resistencia de carga.
El resultado es una señal de onda completa en la resistencia de carga.
Hemos obtenido la misma onda de salida VL que en el caso anterior.
La diferencia más importante es que la tensión inversa que tienen que soportar los diodos es la mitad de la que tienen que soportar los diodos en un rectificador de onda completa con 2 diodos, con lo que se reduce el costo del circuito.
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 38 Características de un Diodo:
Propiedades: •
• •
•
• El material del cual está construido el diodo (Silicio Si o Germanio Ge), determinan la caída de tensión a través del diodo. Máxima tensión inversa, PRV (Peak reverse voltaje) o PIV (Peak inverse voltaje). If, Máxima corriente directa (Normalmente, si esta es muy grande, implica una gran capacidad de la unión). Capacidad depende del tamaño y la geometría dela unión (se le puede considerar como paralela a ella). Cada dispositivo tiene unas características definitorias que la industria ha encontrado útiles al describirlas. Incluso en dispositivos tan sencillos como los diodos hay cientos de tipos que se han diseñado específicamente para: Conmutación, Rectificación, Potencia, Alta frecuencia, Baja dispersión
Normalmente, al elegir un diodo hay que conocer las tasas máximas de voltaje y corriente.
Además, los diodos tienen una capacidad significativa, que se debe incluir en los diseños de alta frecuencia.
La ficha técnica de un diodo de uso general normal, obtenida en la página web de Fairchild, un buen lugar para encontrar fichas técnicas.
Todas las fichas técnicas comienzan mostrando las distintas versiones del dispositivo y a continuación, las tasas máximas seguidas de las especificaciones y, a veces, configuraciones de prueba.
Multiplicadores: En ocasiones se presentan cargas que necesitan una tensión muy alta y que absorben una corriente pequeña como es el caso del tubo de rayos catódicos del televisor, monitor u osciloscopio.
Para elevar el voltaje de una red es necesario adquirir un transformador elevador con los diodos y condensadores que se necesiten Figura 8.3d Circuito Multiplicador de Voltaje
Y tenemos un rizado casi nulo.
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 39
El mayor problema es que el transformador elevador sería muy grande porque necesitaría muchas espiras, además el campo eléctrico sería grande, el voltaje inverso pico del diodo (VIP) también (VID = 2Vpico = 2·933 = 1833 V en inversa), mucha tensión en el Condensador.
Por eso no se usa un transformador elevador sino que se utiliza un multiplicador de voltaje, entre estos tenemos cuatro:
1. El Doblador de tensión: Para comenzar a analizar este tipo de circuitos es interesante tener en cuenta: Empezar en el semiciclo (malla) donde se cargue un solo condensador. Figura 8.3e Circuito Duplicador de Tensión Figura 8.3f Funcionamiento Circuito Duplicador de Tensión
Entonces nos queda de esta forma si ponemos la carga en C2: Figura 8.3g Análisis Circuito Duplicador de Tensión
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 40
La masa se coloca en el borne negativo del condensador. Y se carga C2 a 622V. Y como se ve, si se conectan los bornes a C2, esto es un doblador de tensión. Como la corriente de descarga es pequeña, el C2 se descarga despacio con una constante de tiempo de valor: Resumiendo tenemos: Figura 8.3h Resumen Funcionamiento Circuito Duplicador de Tensión
2. El Doblador de tensión de onda completa Figura 8.3i Circuito Duplicador de Tensión de Onda Completa
Quitamos la carga para analizarlo. Como ya se ha dicho antes empezamos por donde haya un solo condensador. Si representamos VL en función del tiempo.
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 41 Figura 8.3j Análisis Circuito Duplicador de Tensión de Onda Completa
Se van turnando los 2 condensadores, como cada uno es de 60 Hz, los 2 a la vez son 120 Hz. Este circuito tiene una ventaja respecto al anterior: El rizado es más pequeño. La desventaja radica en que no sabemos dónde colocar la masa, en el caso anterior lo teníamos fácil, pero ahora si ponemos debajo de RL no hay ningún borne de la red a masa. Si conectamos una carga también a masa puede haber un cortocircuito. Hay que andar con cuidado al usar ese circuito.
3. El Triplicador: El principio es idéntico al duplicador de media onda: Semiciclo negativo se carga C1, semiciclo positivo se carga C2 a 622 V, semiciclo negativo se carga C3 a 622 V, 2 veces el pico. Ahora elegimos los bornes para sacar: Figura 8.3k Circuito Triplicador
Con esto se puede hacer un doblador y un triplicador dependiendo de donde se colocan los bornes. Y tenemos 933 V a la salida. El truco consiste en que la constante de tiempo
de descarga sea:
Y si a este circuito se le añade una etapa más (diodo y condensador) se convierte en un cuadriplicador.
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 42
4. El Cuadriplicador: Es como los anteriores, y la tensión se toma como se ve en la figura: Figura 8.3l Circuito Cuadruplicador
Recortadores ó limitadores: Podemos tener dos tipos de diodos:
• De Pequeña Señal: Frecuencias mayores de red, limitaciones de potencia menores que 0.5 W (corrientes de miliamperios).
o Limitadores. o Cambiadores de nivel. o Detector de pico a pico.
• De Gran Señal: Diodos de potencia, son los diodos que se usan en las fuentes de alimentación, tienen una limitación de potencia mayor que 0.5 W (corrientes de Amperios).
Ahora vamos a analizar los diodos de pequeña señal.
Recortador positivo: Figura 8.3m Circuito Limitador o Recortador positivo
Se tomo RL >> R para que en el semiciclo negativo vaya todo a la salida.
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 43 Recorta los semiciclos positivos, limita o recorta. Si se usa la 2ª aproximación:No recorta de forma perfecta por no ser ideal el diodo.
Limitador positivo polarizado: Es como el anterior pero con una fuente de voltaje adicional. Figura 8.3n Limitador ó recortador con fuente de voltaje adicional
Limitador negativo: La diferencia con el limitador positivo radica en el cambio de dirección del diodo. Figura No. 8.3o Recortador Negativo
Para explicar el comportamiento del limitador negativo vamos a analizar un limitador doble, que está compuesto por un limitador polarizado positivo y otro limitador polarizado negativo.
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 44 Figura No. 8.3p Funcionamiento de un limitador negativo.
Esto era para RL >> R. Si no se cumpliera esto no sería una senoidal cuando no conducen los diodos. Es un circuito recortador (limitador), es un circuito limitador positivo polarizado y limitador negativo polarizado.
Aplicación: Si se mete una onda de pico muy grande a la entrada, aparece una onda prácticamente cuadrada a la salida, que aunque no sea tan parecida se toma como si fuese una onda cuadrada (es imposible hacer una onda cuadrada perfecta).
Primera aplicación: "Transformar una Senoidal a Cuadrada". Si recorto en + 5 V y en 0 V. Puedo aprovechar esto para electrónica digital.
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 45
Así se protege la carga de tensiones mayores de + 5 V. Limitador = Fijador = Recortador. Pero este circuito suele ser caro debido a la fuente de voltaje adicional, que suele ser una fuente de alimentación con su condensador, diodos, etc… Como la pila es cara se ponen muchos diodos: El único inconveniente de este circuito es que nos limita esa tensión a múltiplos de 0,7 V.
8.2 TIPOS DE DIODOS.
Además del diodo ordinario, que respondería tendría un comportamiento descrito aproximadamente por uno de los modelos de las figuras 8.2 y 8.3, determinadas variantes de diodos de unión presentan en algunas circunstancias comportamientos singulares, que pueden aprovecharse en ciertas aplicaciones electrónicas. Así tenemos una amplia gama de diodos:
– Diodos ordinarios: se aprovecha su comportamiento de casi cortocircuito en sentido directo y casi circuito abierto en inverso. Son útiles por lo tanto, entre otros, en circuitos rectificadores (conversores de c.a. en c.c.), en circuitos digitales (matrices de diodos).
– Fotodiodos PIN y APD de avalancha: son diodos que trabajan en polarización inversa. A través de fibra óptica pueden recibir impulsos luminosos, de forma que, antes de recibir tal impulso, el número de electrones libres en la zona de depleción no es suficiente para desencadenar la avalancha (el fotodiodo no conduce). Al llegar el impulso luminosos, los fotones liberan electrones y se desencadena la avalancha (el fotodiodo conduce). Naturalmente, estos diodos están diseñados para soportar sin daño la avalancha.
– Diodos Zenner: son diodos que trabajan también con polarización inversa. Esta produce en parte un efecto de avalancha, pero además hay un paso de portadores por efecto túnel.
Este efecto, de manera algo simplista, consiste en lo siguiente: supongamos que una partícula cargada se mueve hacia una región en la que hay una barrera de potencial de altura V. La energía cinética inicial de la carga es Ec; cuando entra en la barrera de
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 46
potencial parte de su energía cinética (1/2 mv2) se va transformando en energía potencial, lo que implica, según la Física Clásica, que la energía cinética, o lo que es lo mismo, la velocidad disminuye. Si qV>Ec , la partícula llegará a pararse, es decir, no podrá atravesar la región. El razonamiento anterior es correcto según la Física Newtoniana y la conclusión es que no hay efecto tunel.
La Mecánica Cuántica explica el fenómeno de forma totalmente distinta: la partícula es considerada no como un corpúsculo localizado, sino como una onda (función de onda), cuya amplitud representaría una probabilidad de localización. Cuando la partícula-onda alcanza la barrera de potencial en parte se refleja, (probabilidad de que la partícula no pase la barrera), y en parte se refracta, (probabilidad de que la partícula atraviese la barrera). Es decir, hay una probabilidad no nula de que la partícula pase a través de la barrera (como por un túnel), es decir hay efecto túnel. En este caso la experiencia daría la razón a la Mecánica Cuántica. El diodo Zenner presenta una característica I –> V como la que vemos en la figura 8.4. Vemos que trabajando en la zona Zenner, el diodo mantiene una tensión fija, Vz, con independencia de la corriente que circule, o sea, es un estabilizador de tensión. Sus numerosas aplicaciones en los circuitos se basan en esta propiedad.
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 47 – Diodos túnel: Si los diodos Zenner aprovechan el efecto túnel con polarización inversa, los diodos túnel se basan en el mismo efecto, pero trabajando con polarización directa. Sin embargo, para que se manifieste el efecto túnel se fabrican de forma que los bloques N y P están mucho más dopados que en los diodos ordinarios. El resultado es un comportamiento muy diferente al de los diodos ordinarios (Figura 8.5). Lo más curioso es la zona de resistencia incremental negativa, es decir una región en la que un incremento positivo de la tensión V se traduce en un incremento negativo de la intensidad I. Las aplicaciones de los diodos túnel aprovechan precisamente esta zona.
– Diodos emisores de luz LED: son diodos fabricados con un semiconductor compuesto. Su cápsula es transparente para dejar pasar la luz (fotones) emitida cuando se recombinan en la zona de depleción huecos y electrones en tránsito. La intensidad de la luz emitida puede modularse variando la tensión directa aplicada. El color de la luz depende del semiconductor; así: Se utilizan para los mandos a distancia por infrarrojos, e indicadores (displays) alfanuméricos. La tecnología de los LED se está desarrollando continuamente. Se
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fabrican ya LED de luz blanca (mezcla de los colores fundamentales rojo, verde y azul) y de intensidad luminosa elevada a precios competitivos, lo que explica que vayan sustituyendo a la luz de incandescencia y fluorescente en iluminación urbana y doméstica y otras aplicaciones. Por ejemplo, están utilizándose cada vez más en pilotos e intermitentes de coches, semáforos y, por supuesto paneles murales de publicidad o información. El rendimiento (intensidad luminosa/watio) es mucho mayor, por lo que el consumo energético es mucho menor que en los sistemas tradicionales. (a) (b) (c) (d) (e) Figura 8.6
Los símbolos de los diodos nombrados son los que vemos en la Figura 8.6:
(a) Diodo ordinario; (b) Diodo Zenner; (c) Diodo túnel; (d) Fotodiodo; (e) LED.
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 49 PRACTICA 1 CIRCUITOS RESISTIVOS
1.- Monta el siguiente circuito utilizando los valores de resistencia que prefieras 2.- Completa la siguiente tabla, realizando las operaciones que creas necesarias, y mostrándolas en esta hoja o detrás, imprime el circuito EWB con Amplificadores y Voltímetros, imprímelo con sus valores activos, recortalo y pégalo detrás. CÁLCULOS MEDIDAS ORDENADOR 3.-Comenta los resultados obtenidos
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 50
PRACTICA 2 CARGA Y DESCARGA DE UN CONDENSADOR 1.- Calcula el circuito siguiente de tal forma que el condensador tarde 50 segundos en cargarse; y 80 segundos en descargarse, una vez colocado el conmutador S en la posición2, muestra tus cálculos detrás de esta hoja, y monta el circuito en el taller RECUERDA: El tiempo que tarda un condensador en cargarse o descargarse depende de la constante de carga t=5RC 2.- Realiza las medidas necesarias para dibujar las gráficas correspondientes a la carga del condensador, por ejemplo cada 5 o 10 seg. CARGA REAL
3.- Realiza las medidas necesarias para dibujar las gráficas del taller correspondientes a la descarga del condensador, por ejemplo cada 5 o 10 seg. DESCARGA REAL
4.- Dibuja las 2 gráficas (gráficas de taller) en el papel cuadriculado de la hoja siguiente, añádelas a esta memoria, la de Carga Real píntala de azul, y la Descarga Real, de negro 5.- Con las siguientes fórmulas tienes que rellenar los cuadros de la carga teórica y la de la descarga teórica: Vc=E-(E-Eo) e-t/RC t=RC ln(E-Eo)/(E-Vc) CARGA TEÓRICA
DESCARGA TEÓRICA
6.- Dibuja en la hoja cuadriculada anterior las dos curvas correspondientes a la Carga Teórica y a la Descarga Teórica, con los mismos colores, pero en TRAZOS. Son las gráficas teóricas
7.- Monta en el ordenador este circuito rellena unas tablas equivalentes a los pasos 2 y 3 además observa los efectos que producen los cambios de valores, tanto de resistencia, como de capacidad, en el tiempo de carga y descarga, imprime una hoja con el circuito, las tablas de valores, y las gráficas de carga y descarga. Éstas serán las gráficas de computador. 8.- ¿Cuál es la conclusión que sacas al observar dichas curvas, las del taller, las teóricas y las del computador?
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 51
PRACTICA 3 MANEJO DE OSCILOSCOPIO ANÁLOGO
Objetivo: Medir en el osciloscopio los valores característicos de las señales periódicas que se emplean en electrónica de potencia, analizar las diferencias con los resultados matemáticos.
Materiales: 1 osciloscopio. 2 Generador de señal. 3 Multimetro. 4 Transformador.
Procedimiento: Después de calibrar el osciloscopio, medir el secundario del transformado r con el osciloscopio determinar el vp, vpp, periodo y frecuencia.
Montaje físico 1. Con el transformador seleccionar una de las terminales del secundario y realizar las siguientes medidas, despues de calibrar el osciloscopio. vpp= ___ cuadros y ___ rallas = _____
vp= ___ cuadros y ___ rallas = _____
vrms= ______ T = ____ F = _____ 1200hz, 2. Con el generador de señal seleccionar una de las frecuencias dadas: 600hz, 80khz vpp= ___ cuadros y ___ rallas = _____
vp= ___ cuadros y ___ rallas = _____
vrms= ______ T = ____ F = _____
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 52
PRACTICA 4 MEDIDAS CON EL OSCILOSCOPIO ANÁLOGO
El objetivo de esta práctica es que cojas soltura con la diferente instrumentación del taller, polímetros, osciloscopios, fuentes de alimentación en continua — y en alterna ~.
MEDIDA FRECUENCIA 1.- Coloca en el GBF una señal alterna senoidal de 5Vmax, 1khz (si faltan GBF sirve la f.a. del entrenador, con la salida marcada como ~ en rojo) 2.- Conecta la sonda del osciloscopio a la salida del generador 3.- Coloca en la pantalla del osciloscopio uno o dos periodos de la señal 4.- Completa los siguientes campos, con la mayor atención posible: TIME/DIV= Nº de divisiones horizontales= Multiplicando el nº de divisiones por el valor de la base de tiempos, obtenemos el valor del periodo T y como sabemos que f=1/T obtendremos el valor de la frecuencia f= f medido con la instrumentación1 = MEDIDA VOLTIOS 5.- El osciloscopio tiene un conmutador rotativo para adecuar la señal de entrada amplificándola o reduciéndola, VOLT/DIV, según el canal, gira el conmutador hasta que la señal se pueda visualizar en la pantalla sin salirse de ella, pero ocupando lo máximo
6.- Rellena los siguientes campos VOLT/DIV= Nº de divisiones verticales de pico a pico= Vpp= VOLT/DIV * Nº div horiz pp =
V ef= Vp/v2 Vp = Vpp/2 =
Vef medida con el polímetro = MEDIDA VOLTIOS DE TENSIÓN CONTINUA
7.- Coloca ahora la fuente de alimentación2 en la sonda, y en conmutador, primero ajusta la tierra con el conmutador en GD fijando la posición inicial del trazo, y después en DC, pon la fuente de alimentación a 15 V, y mide su tensión análogamente al caso de alterna paso 5 y 6, y comprueba su veracidad con el polímetro. ¿Cuál es tu conclusión? 1 2 Del polímetro, o si los polímetros no tienen medidas de frecuencia, con el frecuencímetro. Del entrenador V1, o de la fuente de alimentación en continua.
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 53 PRACTICA 5 CORRIENTE ALTERNA
1.- Monta el siguiente circuito Utilizando los valores de R C y v que prefieras para visualizar bien el desfase R= C= v= V, Hz 2.- Completa la siguiente tabla, realizando las operaciones que creas necesarias, y (las operaciones puntuan 10 puntos, son complejos) mostrándolas en esta hoja o detrás CÁLCULOS MEDIDAS ORDENADOR desfase
3.-Comenta los resultados obtenidos
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 54
PRÁCTICA 6 CURVA CARACTERÍSTICA DEL DIODO 1.- Realiza el siguiente montaje con un diodo, puede ser Zenner o no, completa la tabla, la I la calculas con la ley de Ohm ¿Cómo la calcularías teniendo los valores de V, E y R? R= 2.- Invierte la posición del diodo y repite el proceso anterior
R= 3.- Representa los resultados obtenidos en una gráfica I del diodo en el eje y, V diodo eje x 4.- Que conclusión sacas al ver la forma y los valores de la gráfica. Ponlo detrás. 5.- Busca el diodo en los manuales, e indica aquí las características que ves más importantes
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 55 PRÁCTICA 7 RECTIFICACIÓN 1.- Monta los siguientes circuitos de rectificación 2.-Mide todas sus señales con el osciloscopio, dibújalas con un mínimo de precisión colocando sus valores y escalas empleadas, anota la tensión en continua que hay en la carga. 3.- Dibujo las tres formas de onda en los siguientes recuadros: 4.- Repite los procesos anteriores con el ordenador, imprime las formas de onda del osciloscopio pégalas detrás. 5.- Comenta tus conclusiones
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 56 PRACTICA 8 RECORTADOR ZENER
1.- Monta los siguientes circuitos en el taller: 2- Coloca el transformador ~ +- 12V en la entrada y una vez conectado al circuito mide con el osciloscopio tanto la entrada como la salida
3.- Mide todas sus señales con el osciloscopio, dibúja las formas de onda, entrada y salida en la misma gráfica con un mínimo de precisión colocando sus valores y escalas empleadas.
4.- comenta los resultados obtenidos en cada circuito, ¿Para que sirven ? ¿Qué aplicaciones ves a estos circuitos?
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 57
PRACTICA 9 FILTRADO Y RIZADO
1.- Monta el siguiente circuito, el transformador será el de 110/12~. Diséñalo para un rizado razonable como el de la figura, rellena este cuadro: V rizado pico a pico teórico.
2.- Determina las señales de rizado, y la señal de continua en la carga 3.- Móntalo también en el ordenador, imprime el circuito con la forma de onda en el osciloscopio, imprímelo, recorta y pégalo detrás, mide la señal de rizado y de continua en la carga. 4.- Ahora en el taller inserta un 78XX y mide la señal de rizado y de continua en la carga. 5.- Rellena la siguiente tabla, los cálculos mostrarlos en esta hoja por la parte de atrás (8 puntos)
6.- Comenta tus conclusiones
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 58
PRÁCTICA 10 RECTIFICACIÓN DE POTENCIA
1.- Monta el siguiente circuito en el ordenador. Como resistencia de carga puedes usar una bombilla, o una resistencia de 1K,fija un ángulo de conducción máximo y mínimo, y utiliza un potenciómetro para regular la luz, puede ser alrededor de 25K, y el condensador de 100n, la red 100V y 50HZ. enseña los cálculos en la parte de atrás. Imprime el circuito cuando tengas una señal de osciloscopio representativa, tienes que probar diferentes configuraciones, los valores anteriores son orientativos. Pégalo en la parte de atrás. 2.- Rellena la siguiente tabla:
3.- Ahora con la información del osciloscopio rellena esta tabla:
4.- Mide el ángulo de conducción con el potenciómetro al mínimo y al máximo si tienes potenciómetro y rellena la siguiente tabla 6.- Comenta los resultados
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 59
9. EL TRANSISTOR DE UNIÓN (BJT).
Como se comentó al comienzo del capítulo, combinando 2 uniones N-P se consigue un dispositivo con prestaciones mucho más interesantes todavía que las de los diodos vistos anteriormente. El 17 de diciembre de 1947 puede considerarse la fecha en que John Bardeen y Walter Brattain culminan los trabajos que conducen a la invención del transistor de unión. El transistor consiste en 3 bloques de semiconductor dopados N-P-N ó P-N-P. El primer transistor era de Ge y tipo P-N-P. Actualmente el semiconductor utilizado es prácticamente siempre Si y son mucho más abundantes los tipos N-P-N que los P-N-P. En las figuras 9.1 y 9.2 vemos la estructura esquemática respectiva de los 2 tipos de transistores mencionados. La geometría real de un transistor de los que forman parte de un chip no se parece mucho a ese esquema, que únicamente nos va a servir para explicar su funcionamiento de forma sencilla. a) Esquema b) Símbolo circuito Figura 9.1 Transistor NPN a) Esquema b) Símbolo circuito Figura 9.2 Transistor PNP
El transistor está compuesto por tres zonas de dopado, la zona superior es el "Colector", la zona central es la "Base" y la zona inferior es el "Emisor". El Emisor está muy impurificado, la Base tiene una impurificación muy baja, mientras que el Colector posee una impurificación intermedia. En este ejemplo concreto el transistor es un dispositivo NPN, aunque también podría ser un PNP. En principio es similar a dos diodos. Un transistor es similar a dos diodos, el transistor tiene dos uniones: una entre el emisor y la base y la otra entre la base y el colector. El emisor y la base forman uno de los diodos, mientras que el colector y la base forman el otro.
Estos diodos son denominados: "Diodo de emisor" (el de la izquierda en este caso) y "Diodo de colector" (el de la derecha en este caso).
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Antes y después de la difusión. Vamos a hacer un estudio del transistor NPN, primeramente cuando está sin polarizar (sin pilas y en circuito abierto) se produce una "Difusión" (como un gas en una botella), donde los electrones cruzan de la zona n a la zona p, se difunden, encuentran un hueco y se recombinan. Esto hace que en las uniones entre las zonas n y p se creen iones positivos y negativos Figura 9.2ª Movimiento electrónico en un transistor.
Esta difusión y recombinación se da hasta llegar al equilibrio, hasta conseguir una barrera de potencial de 0,7 V (para el Si). Se crean 2 z.c.e., una en la unión E-B (WE) y otra en la unión C-B. Si se conectan fuentes de tensión externas para polarizar al transistor, se obtienen resultados nuevos e interesantes. Hay 3 configuraciones: • • • Base común (BC). Emisor común (EC). Colector común (CC). Cada una de estas configuraciones a su vez puede trabajar en 4 zonas diferentes: Con esto vemos que el transistor puede trabajar de 12 formas diferentes.
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 61 Figura 9.2b Diferentes regiones de trabajo de un transistor.
Internamente, el BJT se compone de tres capas de silicio, según la configuración mostrada en la Figura 9.3. Figura 9.3: Estructura interna del transistor bipolar
Como puede apreciarse, la flecha que indica el tipo de transistor, apunta al sentido de la corriente en polarización directa del diodo BE. En principio, parece una estructura simétrica, en la que es imposible distinguir el emisor del colector. Sin embargo la función que cumple cada uno es completamente distinta, y en consecuencia, se fabrican con diferentes características. Por lo tanto no es un componente simétrico.
Un transistor tiene dos formas principales de operación: como un interruptor o como una resistencia variable.
9.1 TRANSISTOR COMO INTERRUPTOR
La función del transistor como interruptor es exactamente igual que la de un dispositivo mecánico: o bien deja pasar la corriente, o bien la corta. La diferencia está en que mientras en el primero es necesario que haya algún tipo de control mecánico, en el BJT la
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señal de control es electrónica. En la Figura 9.4 se muestra la aplicación al encendido de una bombilla. Figura 9.4 El transistor bipolar como interruptor de corriente
En el primer caso, bajo la señal de control adecuada, que es introducida a través de la base, el transistor se comporta como un circuito abierto entre el emisor y el colector, no existe corriente y la bombilla estará apagada. En el segundo caso, cambiando la señal de control, se cierra el circuito entre C y E, y los 12 V se aplican a la bombilla, que se enciende.
Este funcionamiento entre los estados de corte y conducción se denomina operación en conmutación. Las aplicaciones típicas de este modo de operación son la electrónica de potencia y la electrónica digital, en la que los circuitos operan con dos niveles de tensión fijos equivalentes al y lógicos. 9.2 TRANSISTOR COMO RESISTENCIA VARIABLE
En la Figura 9.5 se presenta la comparación entre un potenciómetro y un transistor colocados en un circuito. Figura 9.5 Transistor bipolar operando como resistencia variable
Si el valor de la resistencia del potenciómetro se fija en 5 k , la tensión de salida VOUT será de 5 V. Al aumentar esta resistencia, la salida también aumentará de valor. Por
ejemplo, con 20 k DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 63
VOUT resulta ser 8 V. Modificando el valor del potenciómetro se puede obtener cualquier valor en la salida comprendido entre 0 V y 10 V, ya que:
Al igual que en el potenciómetro, en el transistor se puede ajustar su resistencia entre colector y emisor, con la diferencia de que la señal de mando no es mecánica, sino eléctrica a través de la base. Como se verá más adelante, con una pequeña señal aplicada en la base puede gobernarse el BJT, con lo que aparece un concepto nuevo: la amplificación de señales. Esta función es la base de la electrónica analógica, aquella en la que se procesan señales de tensión respetando su forma de onda temporal.
9.3 PRINCIPIO DE OPERACION
En este apartado se va a trabajar exclusivamente con el transistor NPN. No obstante, cabe señalar que los razonamientos necesarios para entender el transistor PNP son completamente análogos, por lo que se deja al lector la tarea de deducir los modelos característicos de su funcionamiento.
En la Figura 9.3 pueden verse las dos uniones PN del transistor: la unión Base-Emisor (BE), y la unión Base-Colector (BC). Cada una por separado constituye un diodo, pero la conjunción de ambas provoca un efecto nuevo, denominado efecto transistor. Obviamente, el estado global del transistor depende de la polarización, directa (PD) o inversa (PI), de las dos uniones.
Los casos posibles se adjuntan en la tabla siguiente: Los dos últimos casos, la Región Activa Normal (RAN) y la Región Activa Inversa (RAI) son conceptualmente similares. Si el transistor fuera simétrico, estaríamos ante la misma región de funcionamiento, solo que con los terminales intercambiados. Sin embargo el colector y el emisor se fabrican de forma diferente, precisamente para adaptar su funcionamiento a la RAN. Por ello no se suele trabajar en la RAI. Una vez aclarado este punto se va a analizar el funcionamiento en cada región de operación.
9.3.1 REGION DE CORTE
Como elemento básico para la discusión en este apartado se va a emplear el circuito de la Figura 9.6.
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 64 Figura 9.6: Transistor BJT polarizado en la región de corte
En el circuito de la Figura 9.6:
• •
En este caso las dos uniones están polarizadas en inversa, por lo que existen zonas de depleción en torno a las uniones BE y BC. En estas zonas no hay portadores de carga móviles, por lo tanto, no puede establecerse ninguna corriente de mayoritarios. Los portadores minoritarios sí pueden atravesar las uniones polarizadas en inversa, pero dan lugar a corrientes muy débiles. Por lo tanto, un transistor en corte equivale a efectos prácticos, a un circuito abierto.
A partir de esta definición, se pueden deducir fácilmente los modelos matemático y circuital simplificados para este estado. El transistor BJT en la región de corte se resume en la Figura 9.7
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 65 Figura 9.7 Modelo del en corte para señales de continua Obviamente, en estos modelos no se tiene en cuenta el efecto de las corrientes de fuga de las dos uniones, y sólo son válidos para realizar una primera aproximación al comportamiento de un circuito.
EJEMPLO 1: Calcular las tensiones VBE, VBC y VCE así como las corrientes IB, IC e IE del circuito de la figura 9.8, cuando EB = 0 V. Figura 9.8: Circuito del ejemplo 1
SOLUCIÓN: La base del transistor está conectada a la fuente a través de una resistencia RB. Puesto que la diferencia de potencial entre los extremos del generador es nulo, no puede polarizarse la unión BE en directa, por lo que el transistor está en corte, es decir: VBC = VBE – VCE = 0 – 10 = – 10 V
Pueden obtenerse los mismos resultados si se sustituye el transistor en el circuito por su modelo equivalente:
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 66 9.3.2 REGION ACTIVA NORMAL
Para facilitar el estudio y comprensión de los fenómenos que suceden cuando se polariza el transistor en RAN, se va a analizar en primer lugar el comportamiento del transistor en las situaciones descritas en la Figura 9.9 a) y b). Figura 9.9: Transistor NPN.
En la Figura 9.9 a), como la tensión EC está aplicada al colector, la unión base-colector estará polarizada en inversa. A ambos lados de la unión se creará la zona de deplección, que impide la corriente de portadores mayoritarios. No existirá corriente de colector significativa, y el transistor se encontrará operando en la región de corte.
En el caso de la Figura 9.9 b), la fuente EB polariza la unión base-emisor en directa, que se comporta como un diodo normal, es decir, la zona P inyecta huecos en la zona N, y esta electrones en aquella. Si el dopado de la base es muy inferior al del emisor, la inyección de huecos será muy inferior a la de electrones, y se puede describir el proceso así: el emisor inyecta electrones en la base. Estos se recombinan con los huecos que provienen de la fuente de alimentación y se crea una corriente IB. En este caso el colector no entra en juego.
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La operación en RAN se da cuando la unión BE se polariza en directa y la BC en inversa. Los tres puntos característicos de esta región de operación son:
1. Corriente de colector no nula: conducción a través de la unión BC pese a que está polarizada en inversa. 2. La corriente de base es muy inferior a la de colector. 3. La corriente de colector es proporcional a la corriente de base. Figura 9.10 Transistor NPN en RAN.
Conducción a través de la unión BC
En el circuito de la Figura 9.10 la unión BE se polariza en directa, mientras que si EC es mayor que EB, la unión BC estará en inversa, luego no debería circular corriente a través de esta última. Lo que sucede es que el emisor (tipo N) inyecta electrones en la base (tipo P), en la que los portadores mayoritarios son los huecos, y los minoritarios son los electrones. Como se explicó anteriormente, una unión PN en inversa bloquea el paso de mayoritarios, pero no de minoritarios (que constituyen la corriente de fuga en inversa). Por lo tanto, los electrones inyectados desde el emisor a la base, atraídos por el potencial positivo aplicado al colector, pueden atravesar la unión BC, y dar origen a la corriente de colector IC. Mediante el emisor, se inunda la base de electrones, aumenta drásticamente el número de portadores minoritarios del diodo base-colector, con lo que su corriente inversa aumenta también.
Así que la primera contradicción queda resuelta. El diodo BC no conduce realmente en inversa, sino que sus corrientes de fuga se equiparan con la corriente normal gracias al aporte de electrones que provienen del emisor.
La corriente de base es muy inferior a la de colector
En este punto de la explicación surge una pregunta: ¿y por qué los electrones llegan hasta la unión BC y no se recombinan como en la Figura 9.9.b)? La Figura 9.11 muestra la distribución de corrientes.
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO 68 Figura 9.11: Distribución de corrientes en un transistor NPN en RAN.
Si la base es estrecha y está poco dopada, es relativamente probable que un electrón la atraviese sin encontrarse con un hueco. Típicamente, los BJT se construyen para que se recombine el 1% de los electrones. En este caso se obtiene una ganancia de corriente de 100, es decir, la corriente de base es 100 veces inferior a la del colector. Como la corriente de emisor es la suma de estas dos, es obvio que su valor es cercano al de la corriente de colector, con lo que en la práctica se consideran iguales (sólo operando en RAN).
La corriente de colector es proporcional a la corriente de base
Centrando la atención en la recombinación de los electrones en la base procedentes del emisor. Allí donde había un hueco pasa a haber, tras la recombinación, un ion negativo inmóvil. Si desaparecen los huecos de la base y se llena de iones negativos, se carga negativamente, y se repelen los electrones procedentes del emiso
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