Diodos Y Transistores

MATERIA: ELECTRÓNICA DE POTENCIA

Diodos y Transistores

Contenido

1. El DIODO 4

1.1 Historia del Diodo 4

1.2 El Diodo Rectificador 6

1.2.1 Principio de Operación 7

1.2.2 Región de empobrecimiento 7

1.2.3 La unión P-N polarizada en directa 8

1.2.4 La unión P-N polarizada inversamente 8

1.3 El Diodo Zener 9

1.3.1 Características del Diodo Zener 10

1.4 El Diodo PIN 10

1.4.1 Fotodiodo PIN 12

1.5 Diodo Schottky 12

1.5.1 Funcionamiento 13

1.5.2 Características 13

1.5.3 Aplicaciones 14

1.6 Diodo LED 14

1.6.1 Funcionamiento del LED 15

1.7 Diodo Varactor o Varicap 15

2. TRANSISTORES 17

2.1 Historia de los Transistores 17

2.2 Transistor de unión bipolar (BJT) 19

2.2.1 Zonas de operación del BJT 20

2.3 Transistor de efecto de Campo (de unión FET) 22

2.3.1 Explicación de la combinación de portadores 24

2.3.2 Explicación de sus elementos o terminales 25

2.3.3 Fundamento de transistores de efecto de campo 26

2.3.4 Zonas de funcionamiento del transistor de efecto de campo (FET) 26

2.3.5 Zona de Corte 27

2.4 Transistor de Efecto de Campo, de Metal-Óxido-Semiconductor (MOSFET) 27

2.4.1 Funcionamiento 29

2.4.2 Estructura MOSFET y formación del canal 30

2.4.3 Modos de operación 32

2.5 Fototransistor 35

3. Ejercicios resueltos 37

1. El DIODO

1.1 Historia del Diodo

Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un solo 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 dos electrodos: 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 estaban 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.

Al igual que las lámparas incandescentes, los tubos de vacío tienen un filamento (el cátodo) a través del cual circula la corriente, calentándolo por efecto Joule. El filamento está tratado con óxido de bario, de modo que al calentarse emite electrones al vacío circundante los cuales son conducidos electrostáticamente hacia una placa, curvada por un muelle doble, cargada positivamente (elánodo), produciéndose así la conducción. Evidentemente, si el cátodo no se calienta, no podrá ceder electrones. Por esa razón, los circuitos que utilizaban válvulas de vacío requerían un tiempo para que las válvulas se calentaran antes de poder funcionar y las válvulas se quemaban con mucha facilidad.

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.

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 Gran Bretaña 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, yode (de ὅδος), que significa camino.

1.2 El Diodo Rectificador

Un diodo es el dispositivo semiconductor más sencillo que permite el paso de la corriente eléctrica en una única dirección (polarización directa) con características similares a un interruptor, es decir consiste en separar los ciclos positivos de una señal de corriente alterna. Los diodos se fabrican en versiones de silicio (la más utilizada) y de germanio.

La imagen anterior ilustra el diodo rectificador físicamente (Diodo de silicio 1N4004), simbólicamente, y sus regiones P y N.

1.2.1 Principio de Operación

El semiconductor tipo N tiene electrones libres (exceso de electrones) y el semiconductor tipo P tiene huecos libres (ausencia o falta de electrones).

1.2.2 Región de empobrecimiento

Los materiales están separados por una juntura llamada barrera o unión, zona de transición, región de empobrecimiento, barrera de potencial actúa como una barrera para el paso de los portadores mayoritarios de cada zona.

Esta barrera o unión es de 0.3 voltios en el diodo de germanio y de 0.6 voltios aproximadamente en el diodo de silicio.

1.2.3 La unión P-N polarizada en directa

Cuando una tensión positiva se aplica al lado P y una negativa al lado N, los electrones en el lado N son empujados al lado P y los electrones fluyen a través del material P mas allá de los límites del semiconductor.

La zona de transición se hace más pequeña. La corriente comienza a circular a partir de un cierto umbral de tensión directa.

1.2.4 La unión P-N polarizada inversamente

Cuando una tensión positiva se aplica al lado N y una negativa al lado P, los electrones en el lado N son empujados al lado N y los huecos del lado P son empujados al lado P. En este caso los electrones en el semiconductor no se mueven y en consecuencia no hay corriente, comportándose prácticamente como un corto circuito.

La zona de transición se hace más grande. Con polarización inversa no hay circulación de corriente.

1.3 El Diodo Zener

El diodo Zener es un diodo de cromo, que recibe su nombre por su inventor, el Dr. Clarence Melvin Zener, es un diodo de silicio que se ha construido para que funcione en las zonas de rupturas.

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

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