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Contenido
Introducción ......................................................................................................................................... 2
Diodo ................................................................................................................................................... 3
Historia............................................................................................................................................. 3
Diodos termoiónicos y de estado gaseoso ....................................................................................... 4
Diodo semiconductor........................................................................................................................ 5
Polarización directa de un diodo....................................................................................................... 6
Polarización inversa de un diodo...................................................................................................... 7
Curva característica del diodo .......................................................................................................... 8
Tipos de diodo semiconductor........................................................................................................ 10
Diodo Zener....................................................................................................................................... 13
Características ............................................................................................................................... 13
Transistor de unión bipolar................................................................................................................. 13
Estructura....................................................................................................................................... 14
Control de tensión, carga y corriente.............................................................................................. 16
El Alfa y Beta del transistor ............................................................................................................ 16
Tipos de Transistor de Unión Bipolar ................................................................................................. 17
NPN ............................................................................................................................................... 17
PNP................................................................................................................................................ 17
Transistor de efecto campo................................................................................................................ 17
Tipo de transistores de efecto campo............................................................................................. 19
Transistores MOSFET ....................................................................................................................... 20
Conclusiones ..................................................................................................................................... 22
Bibliografía:........................................................................................................................................ 23
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Introducción
Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de la corriente
eléctrica a través de él en un sentido. Es necesario entender y comprender la aplicación de los diodos
en las telecomunicaciones, lo cual nos ayudara a realizar mejores aplicaciones de estos en nuestra
área de trabajo, en las paginas siguientes se encuentras detalladas las características principales, su
utilización y sus distintas aplicaciones, lo cual debemos de tener en claro para lograr un mejor
rendimiento.
Se encontraran los distintos tipos de diodos y transistores, su historia, y características de cada uno
de ellos. Es un tema en el cual se debe de poner interés porque para cada una de las aplicaciones
que podamos llegar a realiza podemos darnos cuenta cual sería el más adecuado para utilizar.
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Diodo
Diodo en primer plano. Nótese la forma cuadrada del
cristal semiconductor (objeto negro de la izquierda).
Tipo
Semiconductor
Principio de funcionamiento
Efecto Edison
Fecha de invención
John Ambrose Fleming (1904)
Símbolo electrónico
Configuración
Ánodo y Cátodo
Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de la corriente
eléctrica a través de él en un sentido. Este término generalmente se usa para referirse al diodo
semiconductor, el más común en la actualidad; consta de una pieza de
cristal semiconductor conectada a dos terminales eléctricos. El diodo de vacío (que actualmente ya
no se usa, excepto para tecnologías de alta potencia) es un tubo de vacío con doselectrodos: una
lámina como ánodo, y un cátodo.
De forma simplificada, la curva característica de un diodo (I-V) consta de dos regiones: por debajo de
cierta diferencia de potencial, se comporta como un circuito abierto (no conduce), y por encima de ella
como un circuito cerrado con una resistencia eléctrica muy pequeña.Debido a este comportamiento,
se les suele denominar rectificadores, ya que son dispositivos capaces de suprimir la parte negativa
de cualquier señal, como paso inicial para convertir una corriente alterna en corriente continua. Su
principio de funcionamiento está basado en los experimentos de Lee De Forest.
Los primeros diodos eran válvulas o tubos de vacío, también llamados válvulas
termoiónicas constituidos por dos electrodos rodeados de vacío en un tubo de cristal, con un aspecto
similar al de las lámparas incandescentes. El invento fue desarrollado en 1904 por John Ambrose
Fleming, empleado de la empresa Marconi, basándose en observaciones realizadas por Thomas Alva
Edison.
Historia
Diodo de vacío, usado comúnmente hasta la invención del diodo semiconductor,
este último también llamado diodo sólido.
Aunque el diodo semiconductor de estado sólido se popularizó antes del diodo
termoiónico, ambos se desarrollaron al mismo tiempo.
En 1873 Frederick Guthrie descubrió el principio de operación de los
diodos térmicos. Guhtrie descubrió que un electroscopio cargado positivamente
podría descargarse al acercarse una pieza de metal caliente, sin necesidad de
que éste lo tocara. No sucedía lo mismo con un electroscopio cargado
negativamente, reflejando esto que el flujo de corriente era posible solamente en una dirección.
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Independientemente, el 13 de febrero de 1880 Thomas Edison re-descubre el principio. A su vez,
Edison investigaba por qué los filamentos de carbón de las bombillas se quemaban al final del
terminal positivo. Él había construido una bombilla con un filamento adicional y una con una lámina
metálica dentro de la lámpara, eléctricamente aislada del filamento. Cuando usó este dispositivo, él
confirmó que una corriente fluia del filamento incandescente a través del vació a la lámina metálica,
pero esto sólo sucedía cuando la lámina estaba conectada positivamente.
Edison diseñó un circuito que reemplaza la bombilla por un resistor con un voltímetro de DC. Edison
obtuvo una patente para este invento en 1884. Aparentemente no tenía uso práctico para esa época.
Por lo cual, la patente era probablemente para precaución, en caso de que alguien encontrara un uso
al llamado Efecto Edison.
Aproximadamente 20 años después, John Ambrose Fleming (científico asesor de Marconi Company y
antiguo empleado de Edison) se dio cuenta que el efecto Edison podría usarse como un radio
detector de precisión. Fleming patentó el primer diodo termoiónico en Britain el 16 de noviembre de
1904.
En 1874 el científico alemán Karl Ferdinand Braun descubrió la naturaleza de conducir por una sola
dirección de los cristales semiconductores. Braun patentó el rectificador de cristal en 1899.
Los rectificadores de óxido de cobre y selenio fueron desarrollados para aplicaciones de alta potencia
en la década de los 1930.
El científico indio Jagdish Chandra Bose fue el primero en usar un cristal semiconductor para detectar
ondas de radio en 1894. El detector de cristal semiconductor fue desarrollado en un dispositivo
práctico para la recepción de señales inalámbricas por Greenleaf Whittier Pickard, quién inventó un
detector de cristal de silicio en 1903 y recibió una patente de ello el 20 de noviembre de 1906. Otros
experimentos probaron con gran variedad de sustancias, de las cuales se usó ampliamente el
mineral galena. Otras sustancias ofrecieron un rendimiento ligeramente mayor, pero el galena fue el
que más se usó porque tenía la ventaja de ser barato y fácil de obtener. Al principio de la era del
radio, el detector de cristal semiconductor consistía de un cable ajustable (el muy nombrado bigote de
gato) el cual se podía mover manualmente a través del cristal para así obtener una señal óptima. Este
dispositivo problemático fue rápidamente superado por los diodos termoiónicos, aunque el detector de
cristal semiconductor volvió a usarse frecuentemente con la llegada de los económicos diodos de
germanio en la década de 1950.
En la época de su invención, estos dispositivos fueron conocidos como rectificadores. En
1919, William Henry Eccles acuñó el término diodo del griego dia, que significa separado, y ode (de
ὅ δος), que significa camino.
Diodos termoiónicos y de estado gaseoso
Símbolo de un diodo de vacío o gaseoso. De arriba a abajo, sus componentes son,
el ánodo, el cátodo, y el filamento.
Los diodos termoiónicos son dispositivos de válvula termoiónica (también conocida
como tubo de vacío), que consisten en un arreglo de electrodos empacados en un
vidrio al vacío. Los primeros modelos eran muy parecidos a la lámpara
incandescente.
En los diodos de válvula termoiónica, una corriente a través del filamento que se va a calentar
5. 5
calienta indirectamente el cátodo, otro electrodo interno tratado con una mezcla de Bario y óxido de
estroncio, los cuales son óxidos alcalinotérreos; se eligen estas substancias porque tienen una
pequeña función de trabajo (algunas válvulas usan calentamiento directo, donde un filamento de
tungsteno actúa como calentador y como cátodo). El calentamiento causa emisión termoiónica de
electrones en el vacío. En polarización directa, el ánodo estaba cargado positivamente por lo cual
atraía electrones. Sin embargo, los electrones no eran fácilmente transportados de la superficie del
ánodo que no estaba caliente cuando la válvula termoiónica estaba en polarización inversa. Además,
cualquier corriente en este caso es insignificante.
Diodo semiconductor
Formación de la región de agotamiento, en la
gráfica z.c.e.
Un diodo semiconductor moderno está hecho de
cristal semiconductor como el silicio con
impurezas en él para crear una región que
contiene portadores de carga negativos
(electrones), llamado semiconductor de tipo n, y
una región en el otro lado que contiene
portadores de carga positiva (huecos), llamado
semiconductor tipo p. Las terminales del diodo se
unen a cada región. El límite dentro del cristal de
estas dos regiones, llamado una unión PN, es
donde la importancia del diodo toma su lugar. El
cristal conduce una corriente de electrones del
lado n (llamado cátodo), pero no en la dirección
opuesta; es decir, cuando una corriente convencional fluye del ánodo al cátodo (opuesto al flujo de
los electrones).
Al unir ambos cristales, se manifiesta una difusión de electrones del cristal n al p (Je). Al establecerse
una corriente de difusión, estas corrientes aparecen cargas fijas en una zona a ambos lados de la
unión, zona que recibe el nombre de región de agotamiento.
A medida que progresa el proceso de difusión, la región de agotamiento va incrementando su
anchura profundizando en los cristales a ambos lados de la unión. Sin embargo, la acumulación de
iones positivos en la zona n y de iones negativos en la zona p, crea un campo eléctrico (E) que
actuará sobre los electrones libres de la zona n con una determinada fuerza de desplazamiento, que
se opondrá a la corriente de electrones y terminará deteniéndolos.
Este campo eléctrico es equivalente a decir que aparece una diferencia de tensión entre las zonas p y
n. Esta diferencia de potencial (VD) es de 0,7 V en el caso del silicio y 0,3 V para los cristales
de germanio.
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La anchura de la región de agotamiento una vez alcanzado el equilibrio, suele ser del orden de
0,5 micras pero cuando uno de los cristales está mucho más dopado que el otro, la zona de carga
espacial es mucho mayor.
Cuando se somete al diodo a una diferencia de tensión externa, se dice que el diodo está polarizado,
pudiendo ser la polarización directa o inversa.
Polarización directa de un diodo
Polarización directa del diodo pn.
En este caso, la batería disminuye la barrera de potencial de la zona de carga espacial, permitiendo
el paso de la corriente de electrones a través de la unión; es decir, el diodo polarizado directamente
conduce la electricidad.
Para que un diodo esté polarizado directamente, se debe conectar el polo positivo de la batería al
ánodo del diodo y el polo negativo al cátodo. En estas condiciones podemos observar que:
El polo negativo de la batería repele los electrones libres del cristal n, con lo que estos
electrones se dirigen hacia la unión p-n.
El polo positivo de la batería atrae a los electrones de valencia del cristal p, esto es
equivalente a decir que empuja a los huecos hacia la unión p-n.
Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batería es mayor que la diferencia de
potencial en la zona de carga espacial, los electrones libres del cristal n, adquieren la energía
suficiente para saltar a los huecos del cristal p, los cuales previamente se han desplazado
hacia la unión p-n.
Una vez que un electrón libre de la zona n salta a la zona p atravesando la zona de carga
espacial, cae en uno de los múltiples huecos de la zona p convirtiéndose en electrón de
valencia. Una vez ocurrido esto el electrón es atraído por el polo positivo de la batería y se
desplaza de átomo en átomo hasta llegar al final del cristal p, desde el cual se introduce en el
hilo conductor y llega hasta la batería.
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De este modo, con la batería cediendo electrones libres a la zona n y atrayendo electrones de
valencia de la zona p, aparece a través del diodo una corriente eléctrica constante hasta el final.
Polarización inversa de un diodo
Polarización inversa del diodo pn.
En este caso, el polo negativo de la batería se conecta a
la zona p y el polo positivo a la zona n, lo que hace
aumentar la zona de carga espacial, y la tensión en dicha
zona hasta que se alcanza el valor de la tensión de la
batería, tal y como se explica a continuación:
El polo positivo de la batería atrae a
los electrones libres de la zona n, los cuales salen del
cristal n y se introducen en el conductor dentro del cual
se desplazan hasta llegar a la batería. A medida que los
electrones libres abandonan la zona n, los átomos
pentavalentes que antes eran neutros, al verse
desprendidos de su electrón en el orbital de conducción,
adquieren estabilidad (8 electrones en la capa de
valencia, ver semiconductor y átomo) y una carga eléctrica neta de +1, con lo que se
convierten en iones positivos.
El polo negativo de la batería cede electrones libres a los átomos trivalentes de la zona p.
Recordemos que estos átomos sólo tienen 3 electrones de valencia, con lo que una vez que
han formado los enlaces covalentes con los átomos de silicio, tienen solamente 7 electrones
de valencia, siendo el electrón que falta el denominado hueco. El caso es que cuando los
electrones libres cedidos por la batería entran en la zona p, caen dentro de estos huecos con
lo que los átomos trivalentes adquieren estabilidad (8 electrones en su orbital de valencia) y
una carga eléctrica neta de -1, convirtiéndose así en iones negativos.
Este proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga espacial adquiere el
mismo potencial eléctrico que la batería.
En esta situación, el diodo no debería conducir la corriente; sin embargo, debido al efecto de
la temperatura se formarán pares electrón-hueco (ver semiconductor) a ambos lados de la unión
produciendo una pequeña corriente (del orden de 1 μA) denominada corriente inversa de
saturación. Además, existe también una denominada corriente superficial de fugas la cual, como
su propio nombre indica, conduce una pequeña corriente por la superficie del diodo; ya que en la
superficie, los átomos de silicio no están rodeados de suficientes átomos para realizar los cuatro
enlaces covalentes necesarios para obtener estabilidad. Esto hace que los átomos de la superficie del
diodo, tanto de la zona n como de la p, tengan huecos en su orbital de valencia con lo que los
electrones circulan sin dificultad a través de ellos. No obstante, al igual que la corriente inversa de
saturación, la corriente superficial de fuga es despreciable.
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Curva característica del diodo
Curva característica del diodo.
Tensión umbral, de codo o de partida (Vγ ).
La tensión umbral (también llamada barrera de potencial) de
polarización directa coincide en valor con la tensión de la zona de carga
espacial del diodo no polarizado. Al polarizar directamente el diodo, la
barrera de potencial inicial se va reduciendo, incrementando la corriente
ligeramente, alrededor del 1% de la nominal. Sin embargo, cuando la
tensión externa supera la tensión umbral, la barrera de potencial desaparece, de
forma que para pequeños incrementos de tensión se producen
grandes variaciones de la intensidad de corriente.
Corriente máxima (Imax ).
Es la intensidad de corriente máxima que puede conducir el diodo sin fundirse
por el efecto Joule. Dado que es función de la cantidad de calor que puede
disipar el diodo, depende sobre todo del diseño del mismo.
Corriente inversa de saturación (Is ).
Es la pequeña corriente que se establece al polarizar inversamente el diodo por la formación
de pares electrón-hueco debido a la temperatura, admitiéndose que se duplica por cada
incremento de 10º en la temperatura.
Corriente superficial de fugas.
Es la pequeña corriente que circula por la superficie del diodo (ver polarización inversa), esta
corriente es función de la tensión aplicada al diodo, con lo que al aumentar la tensión,
aumenta la corriente superficial de fugas.
Tensión de ruptura (Vr ).
Es la tensión inversa máxima que el diodo puede soportar antes de darse el efecto avalancha.
Teóricamente, al polarizar inversamente el diodo, este conducirá la corriente inversa de saturación;
en la realidad, a partir de un determinado valor de la tensión, en el diodo normal o de unión abrupta la
ruptura se debe al efecto avalancha; no obstante hay otro tipo de diodos, como los Zener, en los que
la ruptura puede deberse a dos efectos:
Efecto avalancha (diodos poco dopados). En polarización inversa se generan pares electrón-
hueco que provocan la corriente inversa de saturación; si la tensión inversa es elevada los
electrones se aceleran incrementando su energía cinética de forma que al chocar con
electrones de valencia pueden provocar su salto a la banda de conducción. Estos electrones
liberados, a su vez, se aceleran por efecto de la tensión, chocando con más electrones de
valencia y liberándolos a su vez. El resultado es una avalancha de electrones que provoca
una corriente grande. Este fenómeno se produce para valores de la tensión superiores a 6 V.
Efecto Zener (diodos muy dopados). Cuanto más dopado está el material, menor es la
anchura de la zona de carga. Puesto que el campo eléctrico E puede expresarse como
cociente de la tensión V entre la distancia d; cuando el diodo esté muy dopado, y por tanto d
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sea pequeño, el campo eléctrico será grande, del orden de 3·105
V/cm. En estas condiciones,
el propio campo puede ser capaz de arrancar electrones de valencia incrementándose la
corriente. Este efecto se produce para tensiones de 4 V o menores.
Para tensiones inversas entre 4 y 6 V la ruptura de estos diodos especiales, como los Zener, se
puede producir por ambos efectos.
[editar]Modelos matemáticos
El modelo matemático más empleado es el de Shockley (en honor a William Bradford Shockley) que
permite aproximar el comportamiento del diodo en la mayoría de las aplicaciones. La ecuación que
liga la intensidad de corriente y la diferencia de potencial es:
Donde:
I es la intensidad de la corriente que atraviesa el diodo
VD es la diferencia de tensión entre sus extremos.
IS es la corriente de saturación (aproximadamente 10 − 12
A)
n es el coeficiente de emisión, dependiente del proceso de fabricación del diodo y que suele
adoptar valores entre 1 (para el germanio) y del orden de 2 (para el silicio).
El Voltaje térmico VT es aproximadamente 25.85mV en 300K, una temperatura cercana a la
temperatura ambiente, muy usada en los programas de simulación de circuitos. Para cada
temperatura existe una constante conocida definida por:
Donde k es la constante de Boltzmann, T es la temperatura absoluta de la unión pn, y q es la
magnitud de la carga de un electrón (la carga elemental).
La ecuación de diodo ideal de Schockley o la ley de diodo se deriva de asumir que solo los procesos
que le dan corriente al diodo son por el flujo (debido al campo eléctrico), difusión, y la recombinación
térmica. También asume que la corriente de recombinación en la región de agotamiento es
insignificante. Esto significa que la ecuación de Schockley no tiene en cuenta los procesos
relacionados con la región de ruptura e inducción por fotones. Adicionalmente, no describe la
estabilización de la curva I-V en polarización activa debido a la resistencia interna.
Bajo voltajes negativos, la exponencial en la ecuación del diodo es insignificante. y la corriente es una
constante negativa del valor de Is. La región de ruptura no esta modelada en la ecuación de diodo de
Schockley.
Para voltajes pequeños en la región de polarización directa, se puede eliminar el 1 de la ecuación,
quedando como resultado:
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Con objeto de evitar el uso de exponenciales, en ocasiones se emplean modelos más simples aún,
que modelan las zonas de funcionamiento del diodo por tramos rectos; son los llamados modelos de
continua o de Ram-señal. El más simple de todos es el diodo ideal.
Tipos de diodo semiconductor
Varios diodos semiconductores. Abajo: Un puente rectificador. En la mayoría de
los diodos, el terminal cátodose indica pintando una franja blanca o negra.
Existen varios tipos de diodos, que pueden diferir en su aspecto físico,
impurezas, uso de electrodos, que tienen características eléctricas particulares
usados para una aplicación especial en un circuito. El funcionamiento de estos
diodos es fundamentado por principios de la mecánica cuántica y teoría de
bandas.
Los diodos normales, los cuales operan como se describía más arriba, se hacen
generalmente de silicio dopado o germanio. Antes del desarrollo de estos diodos
rectificadores de silicio, se usaba el óxido cuproso y el selenio: su baja eficiencia
le dio una caída de tensión muy alta (desde 1,4 a 1,7V) y requerían de una gran
disipación de calor mucho más grande que un diodo de silicio. La gran mayoría
de los diodos pn se encuentran en circuitos integrados CMOS, que incluyen dos
diodos por pin y muchos otros diodos internos.
Diodo avalancha: Diodos que conducen en dirección contraria cuando el voltaje en inverso
supera el voltaje de ruptura. Electricámente son similares a los diodos Zener, pero funciona
bajo otro fenómeno, el efecto avalancha. Esto sucede cuando el campo eléctrico inverso que
atraviesa la unión p-n produce una onda de ionización, similar a una avalancha, produciendo
una corriente. Los diodos avalancha están diseñados para operar en un voltaje inverso
definido sin que se destruya. La diferencia entre el diodo avalancha (el cual tiene un voltaje de
reversa de aproximadamente 6.2V) y el diodo zener es que el ancho del canal del primero
excede la "libre asociación" de los electrones, por lo que se producen colisiones entre ellos en
el camino. La única diferencia práctica es que los dos tienen coeficientes de temperatura de
polaridades opuestas.
Diodo de Silicio: Suelen tener un tamaño milimétrico y, alineados, constituyen detectores
multicanal que permiten obtener espectros en milisegundos. Son menos sensibles que los
fotomultiplicadores. Es un semiconductor de tipo p (con huecos) en contacto con un
semiconductor de tipo n (electrones). La radiación comunica la energía para liberar los
electrones que se desplazan hacia los huecos, estableciendo una corriente eléctrica
proporcional a la potencia radiante.
Diodo de cristal: Es un tipo de diodo de contacto. El diodo cristal consiste de un cable de
metal afilado presionado contra un cristal semiconductor, generalmente galena o de una parte
de carbón. El cable forma el ánodo y el cristal forma el cátodo. Los diodos de cristal tienen una
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gran aplicación en losradio a galena. Los diodos de cristal están obsoletos, pero puede
conseguirse todavía de algunos fabricantes.
Diodo de corriente constante: Realmente es un JFET, con su compuerta conectada a la
fuente, y funciona como un limitador de corriente de dos terminales análogo al diodo Zener, el
cual limita el voltaje. Ellos permiten una corriente a través de ellos para alcanzar un valor
adecuado y así estabilizarse en un valor específico. También suele llamarse CLDs (por sus
siglas en inglés) o diodo regulador de corriente.
Diodo túnel o Esaki: Tienen una región de operación que produce una resistencia negativa
debido al efecto túnel, permitiendo amplificar señales y circuitos muy simples que poseen dos
estados. Debido a la alta concentración de carga, los diodos túnel son muy rápidos, pueden
usarse en temperaturas muy bajas, campos magnéticos de gran magnitud y en entornos con
radiación alta. Por estas propiedades, suelen usarse en viajes espaciales.
Diodo Gunn: Similar al diodo túnel son construidos de materiales como GaAs o InP que
produce una resistencia negativa. Bajo condiciones apropiadas, las formas de dominio del
dipolo y propagación a través del diodo, permitiendo osciladores de ondas microondas de alta
frecuencia.
Diodo emisor de luz: En un diodo formado de un semiconductor con huecos en su banda de
energía, tal como arseniuro de galio, los portadores de carga que cruzan la unión
emiten fotones cuando se recombinan con los portadores mayoritarios en el otro lado.
Dependiendo del material, la longitud de onda que se pueden producir varía desde
el infrarrojo hasta longitudes de onda cercanas al ultravioleta. El potencial que admiten estos
diodos dependen de la longitud de onda que ellos emiten: 2.1V corresponde al rojo, 4.0V al
violeta. Los primeros LEDs fueron rojos y amarillos. Los LEDs blancos son en realidad
combinaciones de tres LEDs de diferente color o un LED azul revestido con
un centelleador amarillo. Los LEDs también pueden usarse como fotodiodos de baja eficiencia
en aplicaciones de señales. Un LED puede usarse con un fotodiodo o fototransistor para
formar un optoacoplador.
Diodo láser: Cuando la estructura de un LED se introduce en una cavidad resonante formada
al pulir las caras de los extremos, se puede formar un láser. Los diodos láser se usan
frecuentemente en dispositivos de almacenamiento ópticos y para la comunicación óptica de
alta velocidad.
Diodo térmico: Este término también se usa para los diodos convencionales usados para
monitorear la temperatura a la variación de voltaje con la temperatura, y para refrigeradores
termoeléctricos para la refrigeración termoeléctrica. Los refrigeradores termoeléctricos se
hacen de semiconductores, aunque ellos no tienen ninguna unión de rectificación, aprovechan
el comportamiento distinto de portadores de carga de los semiconductores tipo P y N para
transportar el calor.
Fotodiodos: Todos los semiconductores están sujetos a portadores de carga ópticos.
Generalmente es un efecto no deseado, por lo que muchos de los semiconductores están
empacados en materiales que bloquean el paso de la luz. Los fotodiodos tienen la función de
ser sensibles a la luz (fotocelda), por lo que están empacados en materiales que permiten el
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paso de la luz y son por lo general PIN (tipo de diodo más sensible a la luz). Un fotodiodo
puede usarse en celdas solares, en fotometría o en comunicación óptica. Varios fotodiodos
pueden empacarse en un dispositivo como un arreglo lineal o como un arreglo de dos
dimensiones. Estos arreglos no deben confundirse con los dispositivos de carga acoplada.
Diodo con puntas de contacto: Funcionan igual que los diodos semiconductores de unión
mencionados anteriormente aunque su construcción es más simple. Se fabrica una sección de
semiconductor tipo n, y se hace un conductor de punta aguda con un metal del grupo 3 de
manera que haga contacto con el semiconductor. Algo del metal migra hacia el semiconductor
para hacer una pequeña región de tipo p cerca del contacto. El muy usado 1N34 (de
fabricación alemana) aún se usa en receptores de radio como un detector y ocasionalmente
en dispositivos analógicos especializados.
Diodo PIN: Un diodo PIN tiene una sección central sin doparse o en otras palabras una capa
intrínseca formando una estructura p-intrinseca-n. Son usados como interruptores de alta
frecuencia y atenuadores. También son usados como detectores de radiación ionizante de
gran volumen y como fotodetectores. Los diodos PIN también se usan en la electrónica de
potencia y su capa central puede soportar altos voltajes. Además, la estructura del PIN puede
encontrarse en dispositivos semiconductores de potencia, tales como IGBTs, MOSFETs de
potencia y tiristores.
Diodo Schottky: El diodo Schottky están construidos de un metal a un contacto de
semiconductor. Tiene una tensión de ruptura mucho menor que los diodos pn. Su tensión de
ruptura en corrientes de 1mA está en el rango de 0.15V a 0.45V, lo cual los hace útiles en
aplicaciones de fijación y prevención de saturación en un transistor. También se pueden usar
como rectificadores con bajas pérdidas aunque su corriente de fuga es mucho más alta que la
de otros diodos. Los diodos Schottky son portadores de carga mayoritarios por lo que no
sufren de problemas de almacenamiento de los portadores de carga minoritarios que
ralentizan la mayoría de los demás diodos (por lo que este tipo de diodos tiene una
recuperación inversa más rápida que los diodos de unión pn. Tienden a tener una
capacitancia de unión mucho más baja que los diodos pn que funcionan como interruptores
veloces y se usan para circuitos de alta velocidad como fuentes conmutadas, mezclador de
frecuencias y detectores.
Stabistor: El stabistor (también llamado Diodo de Referencia en Directa) es un tipo especial
de diodo de silicio cuyas características de tensión en directa son extremadamente estables.
Estos dispositivos están diseñados especialmente para aplicaciones de estabilización en bajas
tensiones donde se requiera mantener la tensión muy estable dentro de un amplio rango de
corriente y temperatura.
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Diodo Zener
Diodo Zener
Pequeño diodo Zener
Tipo
Semiconductor
Símbolo electrónico
Configuración
Ánodo y Cátodo (se polariza inversamente,
con respecto al diodo convencional)
El diodo Zener es un diodo de silicio que se ha construido para que funcione en las zonas de
rupturas, recibe ese nombre por su inventor, el Dr.Clarence Melvin Zener. El diodo zener es la parte
esencial de los reguladores de tensión casi constantes con independencia de que se presenten
grandes variaciones de la tensión de red, de la resistencia de carga y temperatura.
Son mal llamados a veces diodos de avalancha, pues presentan comportamientos similares a estos,
pero los mecanismos involucrados son diferentes.
Características
Si a un diodo Zener se le aplica una corriente eléctrica de Ánodo al Cátodo toma las características
de un diodo rectificador básico. Pero si se le suministra una corriente inversa, el diodo solo dejara
pasar un voltaje constante. En conclusión: el diodo Zener debe ser polarizado al revés para que
adopte su característica de regulador de tensión. Su simbolo es como el de un diodo normal pero
tiene 2 terminales a los lados. Este diodo se comporta como un diodo convencional en condiciones de
alta corriente, porque cuando recibe demasiada corriente este se quema.
Transistor de unión bipolar
Transistor de unión bipolar.
El transistor de unión bipolar (del inglés Bipolar Junction Transistor, o
sus siglas BJT) es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente
en dos uniones PNmuy cercanas entre sí, que permite controlar el paso
de la corriente a través de sus terminales. La denominación de bipolar se
debe a que la conducción tiene lugar gracias al desplazamiento de
portadores de dos polaridades (huecos positivos y electrones negativos), y son de gran utilidad en
gran número de aplicaciones; pero tienen ciertos inconvenientes, entre ellos su impedancia de
entrada bastante baja.
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Los transistores bipolares son los transistores más conocidos y se usan generalmente en electrónica
analógica aunque también en algunas aplicaciones de electrónica digital, como la tecnología TTL o
BICMOS.
Un transistor de unión bipolar está formado por dos Uniones PN en un solo cristal semiconductor,
separados por una región muy estrecha. De esta manera quedan formadas tres regiones:
Emisor, que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada, comportándose
como un metal. Su nombre se debe a que esta terminal funciona como emisor de portadores
de carga.
Base, la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector.
Colector, de extensión mucho mayor.
La técnica de fabricación más común es la deposición epitaxial. En su funcionamiento normal, la
unión base-emisor está polarizada en directa, mientras que la base-colector en inversa. Los
portadores de carga emitidos por el emisor atraviesan la base, porque es muy angosta, hay poca
recombinación de portadores, y la mayoría pasa al colector. El transistor posee tres estados de
operación: estado de corte, estado de saturación y estado de actividad.
Estructura
Un transistor de unión bipolar consiste en tres regiones
semiconductoras dopadas: la región del emisor, la región de la base y la
región del colector. Estas regiones son, respectivamente, tipo P, tipo N y
tipo P en un PNP, y tipo N, tipo P, y tipo N en un transistor NPN. Cada
región del semiconductor está conectada a un terminal, denominado
emisor (E), base (B) o colector (C), según corresponda
.Corte transversal
simplificado de un transistor
de unión bipolar NPN.
Donde se puede apreciar
como la unión base-colector
es mucho más amplia que la base-emisor.
La base está físicamente localizada entre el emisor y el colector y está compuesta de material
semiconductor ligeramente dopado y de alta resistividad. El colector rodea la región del emisor,
haciendo casi imposible para los electrones inyectados en la región de la base escapar de ser
colectados, lo que hace que el valor resultante de α se acerque mucho hacia la unidad, y por eso,
otorgarle al transistor un gran β.
El transistor de unión bipolar, a diferencia de otros transistores, no es usualmente un dispositivo
simétrico. Esto significa que intercambiando el colector y el emisor hacen que el transistor deje de
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funcionar en modo activo y comience a funcionar en modo inverso. Debido a que la estructura interna
del transistor está usualmente optimizada para funcionar en modo activo, intercambiar el colector con
el emisor hacen que los valores de α y β en modo inverso sean mucho más pequeños que los que se
podrían obtener en modo activo; muchas veces el valor de α en modo inverso es menor a 0.5. La falta
de simetría es principalmente debido a las tasas de dopaje entre el emisor y el colector. El emisor
está altamente dopado, mientras que el colector está ligeramente dopado, permitiendo que pueda ser
aplicada una gran tensión de reversa en la unión colector-base antes de que esta colapse. La unión
colector-base está polarizada en inversa durante la operación normal. La razón por la cual el emisor
está altamente dopado es para aumentar la eficiencia de inyección de portadores del emisor: la tasa
de portadores inyectados por el emisor en relación con aquellos inyectados por la base. Para una
gran ganancia de corriente, la mayoría de los portadores inyectados en la unión base-emisor deben
provenir del emisor.
El bajo desempeño de los transistores bipolares laterales muchas veces utilizados en
procesos CMOS es debido a que son diseñados simétricamente, lo que significa que no hay
diferencia alguna entre la operación en modo activo y modo inverso.
Pequeños cambios en la tensión aplicada entre los terminales base-emisor genera que la corriente
que circula entre el emisor y el colector cambie significativamente. Este efecto puede ser utilizado
para amplificar la tensión o corriente de entrada. Los BJT pueden ser pensados como fuentes de
corriente controladas por tensión, pero son caracterizados más simplemente como fuentes de
corriente controladas por corriente, o por amplificadores de corriente, debido a la baja impedancia de
la base.
Los primeros transistores fueron fabricados de germanio, pero la mayoría de los BJT modernos están
compuestos de silicio. Actualmente, una pequeña parte de éstos (los transistores bipolares de
heterojuntura) están hechos de arseniuro de galio, especialmente utilizados en aplicaciones de alta
velocidad.
Funcionamiento
Característica idealizada de un transistor bipolar.
En una configuración normal, la unión emisor-base se
polariza en directa y la unión base-colector en inversa.
Debido a la agitación térmica los portadores de carga del
emisor pueden atravesar la barrera de potencial emisor-base
y llegar a la base. A su vez, prácticamente todos los
portadores que llegaron son impulsados por el campo
eléctrico que existe entre la base y el colector.
Un transistor NPN puede ser considerado como dos diodos
con la región del ánodo compartida. En una operación típica,
la unión base-emisor está polarizada en directa y la unión
base-colector está polarizada en inversa. En un transistor
NPN, por ejemplo, cuando una tensión positiva es aplicada en la unión base-emisor, el equilibrio entre
los portadores generados térmicamente y el campo eléctrico repelente de la región agotada se
desbalancea, permitiendo a los electrones excitados térmicamente inyectarse en la región de la base.
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Estos electrones "vagan" a través de la base, desde la región de alta concentración cercana al emisor
hasta la región de baja concentración cercana al colector. Estos electrones en la base son llamados
portadores minoritarios debido a que la base está dopada con material P, los cuales generan
"huecos" como portadores mayoritarios en la base.
La región de la base en un transistor debe ser constructivamente delgada, para que los portadores
puedan difundirse a través de esta en mucho menos tiempo que la vida útil del portador minoritario
del semiconductor, para minimizar el porcentaje de portadores que se recombinan antes de alcanzar
la unión base-colector. El espesor de la base debe ser menor al ancho de difusión de los electrones.
Control de tensión, carga y corriente
La corriente colector-emisor puede ser vista como controlada por la corriente base-emisor (control de
corriente), o por la tensión base-emisor (control de voltaje). Esto es debido a la relación tensión-
corriente de la unión base-emisor, la cual es la curva tensión-corriente exponencial usual de una
unión PN (es decir, un diodo).
En el diseño de circuitos analógicos, el control de corriente es utilizado debido a que es
aproximadamente lineal. Esto significa que la corriente de colector es aproximadamente β veces la
corriente de la base. Algunos circuitos pueden ser diseñados asumiendo que la tensión base-emisor
es aproximadamente constante, y que la corriente de colector es β veces la corriente de la base. No
obstante, para diseñar circuitos utilizando BJT con precisión y confiabilidad, se requiere el uso de
modelos matemáticos del transistor como el modelo Ebers-Moll.
El Alfa y Beta del transistor
Una forma de medir la eficiencia del BJT es a través de la proporción de electrones capaces de
cruzar la base y alcanzar el colector. El alto dopaje de la región del emisor y el bajo dopaje de la
región de la base pueden causar que muchos más electrones sean inyectados desde el emisor hacia
la base que huecos desde la base hacia el emisor. La ganancia de corriente emisor común está
representada por o por hfe. Esto es aproximadamente la tasa de corriente continua de colector a
la corriente continua de la base en la región activa directa y es típicamente mayor a 100. Otro
parámetro importante es la ganancia de corriente base común, . La ganancia de corriente base
común es aproximadamente la ganancia de corriente desde emisor a colector en la región activa
directa. Esta tasa usualmente tiene un valor cercano a la unidad; que oscila entre 0.98 y 0.998. El Alfa
y Beta están más precisamente determinados por las siguientes relaciones (para un transistor NPN):
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Tipos de Transistor de Unión Bipolar
NPN
El símbolo de un transistor NPN.
NPN es uno de los dos tipos de transistores bipolares, en los cuales las letras
"N" y "P" se refieren a los portadores de carga mayoritarios dentro de las
diferentes regiones del transistor. La mayoría de los transistores bipolares
usados hoy en día son NPN, debido a que la movilidad del electrón es mayor
que la movilidad de los "huecos" en los semiconductores, permitiendo
mayores corrientes y velocidades de operación.
Los transistores NPN consisten en una capa de material
semiconductor dopado P (la "base") entre dos capas de material dopado N.
Una pequeña corriente ingresando a la base en configuración emisor-común
es amplificada en la salida del colector.
La flecha en el símbolo del transistor NPN está en la terminal del emisor y apunta en la dirección en la
que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo.
PNP
El otro tipo de transistor de unión bipolar es el PNP con las letras "P" y "N"
refiriéndose a las cargas mayoritarias dentro de las diferentes regiones del
transistor. Pocos transistores usados hoy en día son PNP, debido a que el NPN
brinda mucho mejor desempeño en la mayoría de las circunstancias.
El símbolo de un transistor PNP.
Los transistores PNP consisten en una capa de material semiconductor dopado N
entre dos capas de material dopado P. Los transistores PNP son comúnmente operados con el
colector a masa y el emisor conectado al terminal positivo de la fuente de alimentación a través de
una carga eléctrica externa. Una pequeña corriente circulando desde la base permite que una
corriente mucho mayor circule desde el emisor hacia el colector.
La flecha en el transistor PNP está en el terminal del emisor y apunta en la dirección en la que la
corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo.
Transistor de efecto campo
P-channel
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El transistor de efecto campo (Field-Effect
Transistor o FET, en inglés) es en realidad una
familia de transistores que se basan en el campo
eléctrico para controlar la conductividad de un
"canal" en un material semiconductor. Los FET
pueden plantearse como resistencias controladas
pordiferencia de potencial.
La mayoria de los FET están hechos usando las técnicas de procesado de
semiconductores habituales, empleando la oblea monocristalina semiconductora como la región
activa o canal. La región activa de los TFT (thin-film transistor, o transistores de película fina) es una
película que sedeposita sobre un sustrato (usualmente vidrio, puesto que la principal aplicación de los
TFT es como pantallas de cristal líquido o LCD).
Los transistores de efecto de campo o FET más conocidos son los JFET (Junction Field Effect
Transistor), MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET) y MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor
FET).
Tienen tres terminales, denominadas puerta (gate), drenador (drain) y fuente (source). La puerta es la
terminal equivalente a la base del BJT. El transistor de efecto de campo se comporta como un
interruptor controlado por tensión, donde el voltaje aplicado a la puerta permite hacer que fluya o no
corriente entre drenador y fuente.
El funcionamiento del transistor de efecto de campo es distinto al del BJT. En los MOSFET, la puerta
no absorbe corriente en absoluto, frente a los BJT, donde la corriente que atraviesa la base, pese a
ser pequeña en comparación con la que circula por las otras terminales, no siempre puede ser
despreciada. Los MOSFET, además, presentan un comportamiento capacitivo muy acusado que hay
que tener en cuenta para el análisis y diseño de circuitos.
Así como los transistores bipolares se dividen en NPN y PNP, los de efecto de campo o FET son
también de dos tipos: canal n y canal p, dependiendo de si la aplicación de una tensión positiva en la
puerta pone al transistor en estado de conducción o no conducción, respectivamente. Los transistores
de efecto de campo MOS son usados extensísimamente en electrónica digital, y son el componente
fundamental de los circuitos integrados o chips digitales.
N-channel
Símbolos esquemáticos para los JFETs canal-n y canal-
p. G=Puerta(Gate), D=Drenador(Drain) y
S=Fuente(Source).
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Tipo de transistores de efecto campo
Comparativa de las gráficas de
funcionamiento (curva de entrada o
característica I-V y curva de salida) de los
diferentes tipos de transistores de efecto
de campo
El canal de un FET es dopado para
producir tanto un semiconductor tipo N o
uno tipo P. El drenador y la fuente deben
estar dopados de manera contraria al
canal en el caso de FETs de modo
mejorado, o dopados de manera similar al
canal en el caso de FETs en modo
agotamiento. Los transistores de efecto de
campo también son distinguidos por el
método de aislamiento entre el canal y la
puerta.
Podemos clasificar los transistores de efecto campo según el método de aislamiento entre el
canal y la puerta:
El MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) usa un aislante
(normalmente SiO2).
El JFET (Junction Field-Effect Transistor) usa una unión p-n
El MESFET (Metal-Semiconductor Field Effect Transistor) substituye la unión PN del JFET con
una barrera Schottky.
En el HEMT (High Electron Mobility Transistor), también denominado HFET (heterostructure
FET), la banda de material dopada con "huecos" forma el aislante entre la puerta y el cuerpo
del transistor.
Los MODFET (Modulation-Doped Field Effect Transistor)
Los IGBT (Insulated-gate bipolar transistor) es un dispositivo para control de potencia. Son
comunmente usados cuando el rango de voltaje drenaje-fuente está entre los 200 a 3000V.
Aun así los Power MOSFET todavía son los dispositivos más utilizados en el rango de
tensiones drenaje-fuente de 1 a 200V.
Los FREDFET es un FET especializado diseñado para otorgar una recuperación ultra rápida
del transistor.
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Los DNAFET es un tipo especializado de FET que actúa como biosensor, usando una puerta
fabricada de moléculas de ADN de una cadena para detectar cadenas de ADN iguales
. La característica de los TFT que los distingue, es que hacen uso del silicio amorfo o del silicio
policristalino.
Características
Tiene una resistencia de entrada extremadamente alta (casi 100MΩ).
No tiene un voltaje de unión cuando se utiliza como conmutador (interruptor).
Hasta cierto punto es inmune a la radiación.
Es menos ruidoso.
Puede operarse para proporcionar una mayor estabilidad térmica.
Transistores MOSFET
Los transistores MOSFET o Metal-Oxido-Semiconductor (MOS) sondispositivos de efecto de
campo que utilizan un campo eléctrico para crear una canal de conducción.
Son dispositivos más importantes que los JFET ya que la mayor parte de loscircuitos
integrados digitales se construyen con la tecnología MOS.
Existen dos tipos de transistores MOS: MOSFET de canal N o NMOS yMOSFET de canal P o PMOS.
A su vez, estos transistores pueden ser de acumulación (enhancement) o deplexion (deplexion); en la
actualidad los segundos están prácticamente en desuso y aquí únicamente serán descritos los MOS
de acumulación también conocidos como de enriquecimiento.
La figura 1.14 indica los diferentes símbolos utilizados para describir los transistores MOS.
En la figura 1.15 se describe la estructura física de un MOSFET
de canal N con sus cuatro terminales:
puerta, drenador fuente y substrato;
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normalmente el sustrato se encuentra conectado a la fuente.
La puerta, cuya dimensión es W·L, está separado del substrato por un dieléctrico (Si02) formando una
estructura similar a las placas de un condensador.
Al aplicar una tensión positiva en la puerta se induce cargas negativas (capa de inversión) en la
superficie del substrato y se crea un camino de conducción entre los terminales drenador y fuente.
La tensión mínima para crear ese capa de inversión se denomina tensión umbral o tensión de
threshold (VT) y es un parámetro característico del transistor. Si la VGS<VT, la corriente de drenador-
fuente es nula; valores típicos de esta tensión son de de 0.5 V a 3 V.
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Conclusiones
El desarrollo de esta investigación fue muy interesante y productivo ya que me permitió, mejorar mis
conocimientos sobre este componente electrónico que es muy útil, el comportamiento a diferentes
temperaturas, el por que este componente es afectado al cambio del calor, y también aprendí las
funciones que tiene el diodo rectificador que por mas sencillo que parece es algo complicado de
entender, ya que varia sus funciones con pequeños cambios ya sean de voltaje o de calor. También
se aprendió que existe diferencias con otros diodos hay otro diodos que tienen la misma función, pero
trabajan con diferente voltaje como el de germanio, se explico el modo en que se checa los diodos
con un multimetro ya sea analógico o digital.
Los diodos poseen mucha versatilidad y ayudan a resolver distintos problemas, debido a su
comportamiento y cada tipo puede servir en aplicaciones especificas:
Rectificadores
Protector (energía solo en una dirección).
Descarga.
