Curso de electrónica. Aprenda tecnología digital

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SEMICONDUCTOR DOPADO

Supongamos que a una masa de Ge fundido, le agregamos una pequeña cantidad de una impureza pentavalente como por ejemplo el Arsénico (As), este elemento tiene 5 electrones en la banda de valencia. Cuando el líquido se solidifica (cristal), los átomos de As se encuentran distribuidos  de modo uniforme en toda la estructura cristalina.
Como hay muchos más átomos de Ge que de As, cada átomo de As se encontrará rodeado por 4 átomos de Ge dando lugar a la formación de una estructura básica dibujada en el plano, como lo indica el siguiente esquema. No olvidar que lo anterior se desarrolla en el espacio, por lo tanto la estructura básica es un cubo.

De acuerdo al análisis anterior, ahora en el enlace covalente sobra un electrón, el motivo es que el As aporta 5 electrones y cada átomo de Ge aporta  1 electrón. El quinto electrón del As, queda débilmente ligado a la estructura, puesto que no forma parte de ningún enlace covalente.
A los átomos de As, puesto que donan un electrón a la estructura, se les denomina Impurezas o átomos “DONADORES”.
La presencia del As en la red cristalina tiene el efecto de crear una estrecha banda de energía permitida que está situada justamente debajo de la banda de conducción, ala que se le denomina”NIVEL DE DONADORES”. El siguiente esquema representa tal situación.

            Los electrones adicionales proporcionados a la estructura, pasan a la banda de donadores y bastará una pequeña cantidad de energía para llevarlos ala banda de conducción. Como átomos de impurezas, puede usarse también el Fósforo o el Antimonio que son elementos pentavalente.
         Si el electrón que débilmente estaba ligado a la estructura al alejarse del átomo de As, quedará en la estructura y débilmente ligado al átomo de As un ión de As cargado positivamente.
         Es importante hacer notar que éste electrón (5º), al pasar a la banda de conducción no deja hueco alguno.
         Resumiendo, el hecho de agregar una impureza pentavalente (donadora) a un semiconductor puro, nos produce un semiconductor, en  el cual existe una gran cantidad de electrones libres, capaces de servir como portadores de energía. A este tipo de semiconductor se le denomina semiconductor “TIPO  N”.
         Por otra parte, debido a la temperatura ambiente, algunos de los enlaces que conforman la estructura adquieren suficiente energía, se genera un par ( hueco-electrón).
Estos huecos generados térmicamente son pocos si se les compara con  la gran  cantidad de electrones libres que existen en el cristal, por tal motivo se les denomina”PORTADORES MINORITARIOS”. A los electrones se les denomina “ PORTADORES  MAYORITARIOS”

         Si en lugar  de agregar una impureza pentavalente a la estructura del Ge, se le adiciona una  pequeña cantidad de impurezas trivalente, como por ejemplo el Aluminio
(Al), se obtiene una estructura básica como se indica en la figura

                     Representación en el plano de la estructura básica
                  de un Semiconductor  dopado con impurezas trivalente 

A los átomos de la impureza que hacen aparecer un hueco en la estructura, el que podrá ser ocupado por un electrón, se les denomina impureza o átomos ACEPTADORES.
         La presencia del aluminio en el cristal, crea una estrecha banda permitida justo por encima de la banda de valencia, como se indica en la figura anterior.
         En este caso tan pronto, como el hueco es ocupado por un el electrón, el átomo de impureza se convierte en un ión negativo, luego el hueco original ha sido neutralizado, pero aparece otro hueco en la zona de donde vino el electrón.
         Con una pequeña cantidad de energía para alejar un electrón de la banda de valencia, al nivel aceptor, lo cual deja un hueco en la banda de valencia, al que se puede considerar como un portador de carga positiva, los cuales en este caso son los PORTADORES MAYORITARIOS en este tipo de semiconductor.
         A este tipo de semiconductor lo llamaremos TIPO P, ya que posee gran cantidad de huecos libres, capaces de servir como portadores de corriente, a los electrones se les denomina PORTADORES MINORITARIOS, ya que su número es muy pequeño comparado con la cantidad de huecos libres.
         Todo lo explicado anteriormente, que fue echo en función del Ge, es valido si se realiza con el Si , la diferencia radica que los portadores minoritarios son mayores, a una temperatura dada, cuando se trabaja con el Ge, debido a la menor energía que se necesita para romper los enlaces covalentes.

JUNTURA  PN

         Una juntura PN, se construye a partir  de un semiconductor Tipo N y otro Tipo P en dicha juntura se produce un fenómeno de recombinación de carga, también conocido como Barrera de Potencial. Cuando un electrón deja el material Tipo N, deja tras si un ión positivo , la misma situación ocurre cuando un hueco del material Tipo P, pasa al material Tipo N , deja tras si un ión negativo este proceso también detiene la recombinación de carga en el sistema.

            En la figura anterior se indica la situación gráfica de lo que ocurre al juntar un material P y N. Las cargas libres deben vencer la barrera de potencial para llegar a la carga libre de polaridad opuesta y cancelarse, por lo tanto, esto no es posible, o sea que la recombinación sea completa dentro del material, a medida que aumenta la recombinación también lo hace la barrera de potencial que es finalmente quién detiene esta recombinación, para el Germanio el potencial que hay que vencer es de 0,2 (volt), y para el Silicio se necesita una energía de 0,6 (volt).

EL DIODO DE JUNTURA

         El diodo de juntura esta construido por un material semiconductor Tipo N  y Tipo P, que tiene el siguiente comportamiento cuando se le aplica un potencial externo.

POLARIZACION DE UNA JUNTURA PN

         Polarización Directa. Significa conectar una batería donde el potencial positivo se le aplica al material  P, y el extremo negativo de la batería al material N. En este caso entre los extremos del material semiconductor y la batería se repelen las cargas , por ser de igual signo , por lo que las cargas se concentran en la juntura  el potencial externo supera a la barrera de potencial y las cargas atraviesan la juntura se produce algunas recombinaciones , pero la mayoría de las cargas libres llegan a las polaridades de la batería, las cargas positivas son atraídas por el polo negativo de la batería y las cargas negativas son atraídas por el polo positivo de la fuente , en es te caso se produce una elevada circulación de corriente electrónica, que debe ser controlada por una carga externa de lo contrario aumenta rápidamente la temperatura en la juntura la cual será destruida.

         Polarización Inversa. En este caso se invierte los terminales de la batería, el positivo de la batería al material Tipo N, el terminal negativo de la batería al  material Tipo P, en este caso las cargas son atraídas por las polaridades de la batería, con esto aumenta la zona vacía en la juntura, lo que es muy difícil que las cargas libres crucen la juntura, por lo tanto la corriente electrónica es muy pequeña del orden de los micro amperes. Por lo tanto el circuito se comporta como un circuito abierto.

           

Algunas aplicaciones típicas con el Diodo de Juntura.

Circuito Rectificador de Media Onda. Esta aplicación se realiza cuando se necesita obtener una tensión pulsante a partir de una señal alterna como una señal de entrada.

         Circuito de aplicación

.

FILTROS  PASIVOS

          Filtro  Capacitivo                                     Filtro Inductivo

            Los Filtros que se muestran en las figuras son filtros pasa bajo, vale decir que dejan pasar a  la  salida  solo las componentes de baja frecuencia. En el caso del filtro de condensador las componentes de alta frecuencia pasan a través de la reactancia del condensador, debido a que:
                                              Xc =   1 / ( 2π f  C) 
Para altas frecuencias la reactancia tiende a cero, por lo tanto se comporta como un corto circuito para dichas frecuencias. Para bajas frecuencias, vale decir, vale decir señales de componentes continua pueden pasar hacia la carga.

Para el filtro con inductancia la reactancia, vale en este caso:

                                             X L =  2 π L f     (Ω)

         En este caso para altas frecuencias la reactancia tiende a un valor muy elevado por lo que la señal no puede llegar a la carga. En cambio si la frecuencia es baja, vale decir componentes continuas estas pueden pasar hacia la carga con facilidad.

Circuito Rectificador con Filtro a Condensador  

            La ecuación para calcular la tensión media en la carga es:

                                                Vmedia
                 V media =   ---------------------------------
                                       1     +   1 / ( 2 * R* f * C)

         Para calcular la componente alterna  peak to peak en la carga la ecuación es:
                                         Vmáx
              Vac (ptp) =  ---------------
                                      f * R * C

         Para calcular la componente efectiva en la carga la ecuación es:
                                  V máx
                 Vrms =  ------------
                                    √3

            Par el circuito de la figura, si la tensión alterna corresponde a la salida de un transformador reductor de 220 v  a  12 v, el filtro a condensador tiene un valor de 100 μf , la resistencia de carga de valor  3, 25 KΩ. Se pide calcular:

1. la tensión media en la carga

                          12 √2
   V media = ------------------------------------------------ =  16 , 6 (volt)    
                   (( 1  + 1 / ( 2*3,25*103  *50*100*10 -6 ) )

                          16,6 v
  V ac ptp = -----------------------------------  =  1, 02  v
                      50 * 100* 10-6 * 3,25 *10 2   

  V ac peca = 0,51 v

                       0,51 v
  V ac rms =  ------------ =  0,29 v
                         √3

El diodo  Zener

         El diodo Zener es un diodo estabilizador de tensión, trabaja en la zona de ruptura, pero sin destruirse. Como todo diodo hay que limitar la corriente de trabajo de lo contrario éste se destruye por aumento de la temperatura en la juntura.
         El símbolo del diodo zener es:
                                                                         Ánodo Cátodo

Característica tensión – corriente

Circuito de Trabajo como Estabilizador de Tensón

            Para el circuito de la figura anterior, si el diodo zener es de  1 watt, 9 volt y la corriente de trabajo del diodo zener es del 80 %.
         Desarrollo

Pz  = Vz * Iz   →     I máx =  (Pz / Vz ) = 1 / 9 = 111  mili amper

Izt =  111 mili-amper * 0,8 = 88,9 mili amper ;   corriente de trabajo del diodo zener

V (R lim) =  (20 v – 9 v) / 88,9* 10 -3 = 123,8 (Ω) ; tensión en la resistencia limitadora

P disip = (88,9*10 -3 ) 2 * 123,8  = 0,98 ( watt) ; potencia disipada en (R Lim)

         Si la corriente mínima del diodo zener es de 5 mili Amper, la  resistencia de carga  R C  es de 400 Ω  que se conecta entre los puntos a y b. Se pide calcular

1. La corriente por la resistencia limitadora
2. La corriente por diodo zener
3. La corriente por la resistencia de carga

a)  I (R lim) = I z + I (Rc) = 88,9 mili amper

c) I (Rc) =  Vz / R c  =  9 v / 400Ω  =  22,5 mili amp

La corriente por el Diodo Zener es:

b)  Iz = I(R lim) – I  Rc  =  88 , 9 mili amper -  22, 5 mili amper =  66 , 4 mili amper

         Como la corriente del diodo Zener, es mayor a la corriente mínima, el diodo esta trabajando en la zona de trabajo como estabilizador de tensión.

         Si, ahora se cambia el valor de la resistencia de carga por un valor de 105 Ω. Calcular la corriente por el diodo Zener.

I Rl =  Vz / R l  = 9 v / 105 Ω = 85, 7 mili amper

         La corriente por diodo Zener es:

Iz = I Rlim  -  I Rc  = ( 88,9  -  85,7) mili amper = 3,2 mili amper

            En este caso la corriente del diodo es menor que el valor mínimo por lo tanto se sale da la zona de trabajo, y el diodo no estabiliza la tensión en la carga.

¿Que ocurre con las corrientes del circuito si se arma el circuito sin tomar en cuenta las condiciones de diseño y se pone una Rlim = 95 Ω y  R c = 350 Ω

La corriente en la resistencia limitadora es:
 I Rlim = Vz / R c =  9 v / 350 Ω =  25,7 mili amper

         La corriente por el diodo zener es:

Iz = I Rlim  -  I Rl =  (115  - 25 , 7) mili amper = 89, 9 mili amper

         Con los valores obtenidos el circuito aparentemente trabaja en condiciones normales.
         ¿Pero que sucede si por algún motivo se desconecta la carga?
         Como se sabe en este caso la corriente del diodo es igual  a la corriente de la resistencia limitadora, por lo tanto:

                                          Iz = I Rlim = 115 mili amper

         Pero en los cálculos iniciales se obtuvo que la corriente máxima del diodo zener era igual a:
                     I  Z máx =  111  mili amper

         ¡ El  Diodo Zener se ha  destruido ! 

         La conclusión que se puede obtener, es que en los diseños se deben tomar en cuenta las condiciones de diseño de lo contrario, se corre el riesgo de cometer errores, los cuales pueden provocar problemas de costo muy alto, en todo sentido.
 

E l    LED ( diodo electro-luminoso)

         Es un diodo que se utiliza para indicar el estado de una salida determinada se utiliza comúnmente en los circuitos de electrónica, ya sea, en los transistores como circuitos lógicos de acuerdo al color  de la luz que emite el  led es la sensibilidad en corriente que soporta el Led. Para aplicaciones practicas el Led emite una luz adecuada si por él circula una corriente de 15 a 20 mili amperes, por lo tanto se debe conectar en serie al Leed una resistencia que limite la corriente de lo contrario el Led se destruye.
         El Led como es un diodo tiene terminales denominados ánodo y cátodo por lo que se debe polarizar de forma adecuada para su adecuado funcionamiento, el ánodo debe ser positivo con respecto del cátodo. Cuando hay problema para identificar el ánodo del cátodo se utiliza el tester en función Diodo y se procede como un diodo rectificador, el led polarizado de forma directa soporta una tensión de 1.5 volt aproximadamente.

         Calcular la resistencia limitadora, si la tensión en la salida es de12 volt

  12 volt =  I * R lim  +  V led  =  20 –E3 *  R lim  +  1. 5 volt

                 (12  - 1. 5) volt
R lim =                                 =   520  Ω
                  20 – E3