FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA

UNIDAD 1: FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA

1.1. COMPONENTES DISCRETOS

El descubrimiento y utilización de los semiconductores, trajo como consecuencia una verdadera revolución en la electrónica, pues con éstos se logró obtener un mayor rendimiento en los circuitos electrónicos y la miniaturización de los mismos. Hoy por hoy no existe ningún circuito ni sistema electrónico que no los utilice. Entre los principales dispositivos semiconductores se encuentran: los diodos, los transistores y los circuitos integrados, entre otros.

1.1.1. Teoría de los semiconductores

Antes de estudiar los componentes semiconductores vamos a analizar la estructura atómica de los materiales básicos con los cuales se fabrican. Recordemos que todos los materiales en la naturaleza pueden clasificarse de acuerdo a su comportamiento ante la corriente eléctrica. De esta forma pueden clasificarse en tres grupos: conductores, aislantes y semiconductores.

Los conductores son aquellos materiales que permiten el paso de la corriente eléctrica con facilidad, mientras que por el contrario, los aislantes impiden el paso de la misma. Entre estas dos clasificaciones existe una tercera a ella pertenecen aquellos materiales que pueden comportarse indistintamente como conductores o como aislantes de acuerdo a los estímulos externos que se les aplique. Dichos estímulos pueden ser: corrientes, voltajes, calo, luz, etc.

A todos aquellos materiales que tengan estas características, se les denomina semiconductores. Todos los materiales existentes en la naturaleza se caracterizan y se diferencian unos de otros por su estructura atómica Recordemos que todo lo que existe en el universo está conformado por átomos y que éstos a su vez están conformados por un núcleo central en el cual se encuentran unas partículas pequeñísimas denominadas protones y neutrones. Los protones se encuentran cargados positivamente mientras que los neutrones, como su nombre lo indica, son neutros, es decir, no tienen carga eléctrica Alrededor de éstos se encuentran girando en órbitas otras partículas denominadas electrones, los cuales están cargados negativamente. Desde el punto de vista eléctrico solo nos interesan aquellos electrones que se encuentran en la capa más externa de los átomos denominados de valencia; pues éstos son los que determinan la conductividad de un material, es decir, la facilidad para entregar portadores de carga.

Los conductores se caracterizan por tener muy pocos electrones en la banda de valencia, siendo los mejores, aquellos que tienen solo uno, éstos son atraídos muy débilmente por el núcleo. Por ello, si se aplica una fuerza externa, pueden fácilmente escapar del átomo convirtiéndose en electrones libres que viajan a través del material y participan activamente en la creación de corrientes eléctricas. Los aislantes, por el contrario, tienen muchos electrones de valencia, los cuales son fuertemente atraídos por el núcleo. Por esta razón es muy difícil convertirlos en electrones libres y obligarlos a participar en la creación de una corriente eléctrica.

Fig. 1.1.1 estructura atómica de los semiconductores

Los semiconductores como el silicio y el germanio, se caracterizan por tener cuatro electrones de valencia. En la figura 1.1.1 se observa su estructura atómica. Estos electrones forman enlaces covalentes con los electrones de valencia de los átomos vecinos (comparten sus electrones). De esta forma buscan conseguir su equilibrio completando ocho electrones en la capa de valencia. Así se produce un patrón tridimensional llamado red cristalina o cristal.

Figura 1.1.2 Un cristal semiconductor puro, como el descrito anteriormente, se comporta como aislante a temperaturas cercanas al cero absoluto.

Fig. 1.1.2 cristal de silicio

Sin embargo. a medida que aumenta la temperatura la agitación térmica hace que algunos electrones de valencia rompan los enlaces que los mantienen unidos al cristal y se conviertan en electrones libres, permitiendo la circulación de corrientes eléctricas.

Cuando sale un electrón de la banda de valencia deja siempre en ella un espacio vado llamado hueco, el cual es llenado por otro electrón libre o por un electrón de valencia perteneciente a un átomo vecino. Por lo tanto, dentro de un semiconductor, por el que circula una corriente eléctrica, hay permanentemente un movimiento de electrones y huecos en direcciones opuestas.

Los Semiconductores Intrínsecos y Extrínsecos

Los cristales semiconductores puros son raramente empleados en electrónica debido a que, en su estado natural, poseen muy pocos electrones libres y necesitan de muy altas cantidades de energía para transportar corrientes significativas; dichos cristales, reciben el nombre de semiconductores intrínsecos. En la práctica, los materiales semiconductores utilizados en la fabricación de diodos, transistores, circuitos integrados, etc., están dopados, es decir, contienen unas cantidades muy pequeñas, pero controladas, de impurezas llamadas dopantes que son las que determinan sus características eléctricas. Este tipo de semiconductores se denominan semiconductores extrínsecos.

Dopar un semiconductor significa inyectarle átomos de otros elementos. Al hacer esto, se pretende que cuando se formen los enlaces entre los electrones de valencia queden electrones sin enlazar o, por el contrario, queden faltando electrones para completar los enlaces. Para ello, deben inyectarse átomos de elementos que tengan cinco electrones de valencia (denominados pentavalentes) o átomos de elementos que tengan solo tres electrones de valencia (denominados trivalentes), respectivamente.

Los semiconductores dopados con impurezas pentavalentes, se denominan semiconductores tipo N y se caracterizan porque en éstos solo cuatro de los electrones del átomo dopante forman enlaces con los átomos del cristal puro; el electrón sobrante tiene la libertad de moverse a través del cristal, convirtiéndose en un portador de corriente. Figura 1.1.3. Los principales materiales usados como dopantes son: el antimonio, el arsénico y el fósforo. En la figura 1.1.4 se observa la estructura atómica de estos elementos.

Fig. 1.1.3 semiconductor tipo N

Fig. 1.1.4 estructura atómica de las impurezas pentavalentes

Los semiconductores dopados con impurezas trivalentes se denominan semiconductores tipo P y se caracterizan porque en ellos los tres electrones del átomo dopante forman enlaces con los átomos del cristal puro, completando solo siete electrones de valencia. Figura 1.1.5. El electrón faltante produce un hueco el cual se comporta como una carga positiva libre, capaz de atraer un electrón externo. Por lo tanto, un semiconductor tipo P es un aceptor de electrones.

Fi. 1.1.5 semiconductor tipo P

Los principales elementos utilizados como impurezas aceptoras son el aluminio, el boro, el indio y el galio. En la figura 1.1.6 se observa la estructura atómica de estos elementos. Debido a la adición de impurezas, un semiconductor tipo N tiene más electrones libres que huecos y un semiconductor tipo P más huecos que electrones. Las cargas en exceso se denominan portadores mayoritarios y las cargas en deficiencia portadores minoritarios.

Fig. 1.1.6 Estructura atómica de las impurezas trivalentes

Por lo tanto, en un semiconductor tipo N los portadores mayoritarios son los electrones y los portadores minoritarios son los huecos. De otra formam en un semiconductor tipo P, los portadores mayoritarios son los huecos y los portadores minoritarios son los electrones. Cuando se aplica un voltaje a un semiconductor tipo N ó P, el resultado es la circulación de una corriente relativamente grande a través de él debido a los portadores mayoritarios y una corriente relativamente pequeña debida a los portadores minoritarios. Esta última. que es del orden de unos pocos microamperios, se denomina corriente de fuga y depende principalmente de la temperatura. Figura 1.1.7

Fig. 1.1.7 Corriente en los semiconductores

Los materiales semiconductores P y N por sí solos no 'son de mucha utilidad en la práctica; para que éstos sean realmente útiles, deben unirse en dos o más capas formando uniones de diferente tipo con las cuales se fabrican los componentes semiconductores. Ellos forman parte del grupo de componentes activos o no lineales enunciados al principio de este curso. A continuación iniciaremos su estudio con el más simple de ellos: el diodo.

1.1.2. Diodos, BJT, FET.

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),

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