Universidad Tecnológica de Puebla. Electrónica I Manual de asignatura. Carrera de Electricidad y Electrónica Industrial.

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1 Universidad Tecnológica de Puebla Electrónica I Manual de asignatura Carrera Electricidad y Electrónica Industrial Programa

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3 Contenido Objetivo general Utilizar dispositivos electrónicos básicos en circuitos electrónicos Habilidades por desarrollar en general Utilizar dispositivos electrónicos básicos en circuitos electrónicos Horas Teoría Práctica Total Página I Introducción a la electrónica II Diodos semiconductores III Transistor bipolares de unión (BJT) IV Transistor de efecto de campo (FET) V Fuentes de CD y osciladores Guía de practicas 73 3

4 I INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA Objetivo particular de la unidad Identificar la importancia y alcances de la electrónica definiendo su área de aplicación Habilidades por desarrollar en la unidad Alcances de la electrónica acorde a su aplicación. 1.1 ANTECEDENTES La introducción de los tubos de vacío a comienzos del siglo XX propició el rápido crecimiento de la electrónica moderna. Con estos dispositivos se hizo posible la manipulación de señales, algo que no podía realizarse en los antiguos circuitos telegráficos y telefónicos, ni con los primeros transmisores que utilizaban chispas de alta tensión para generar ondas de radio. Por ejemplo, con los tubos de vacío pudieron amplificarse las señales de radio y de sonido débiles, y además podían superponerse señales de sonido a las ondas de radio. El desarrollo de una amplia variedad de tubos, diseñados para funciones especializadas, posibilitó el rápido avance de la tecnología de comunicación radial antes de la II Guerra Mundial, y el desarrollo de las primeras computadoras, durante la guerra y poco después de ella. Hoy día, el transistor, inventado en 1948, ha reemplazado casi completamente al tubo de vacío en la mayoría de sus aplicaciones. Al incorporar un conjunto de materiales semiconductores y contactos eléctricos, el transistor permite las mismas funciones que el tubo de vacío, pero con un coste, peso y potencia más bajos, y una mayor fiabilidad. Los progresos subsiguientes en la tecnología de semiconductores, atribuible en parte a la intensidad de las investigaciones asociadas con la iniciativa de exploración del espacio, llevó al desarrollo, en la década de 1970, del circuito integrado. Estos dispositivos pueden contener centenares de miles de transistores en un pequeño trozo de material, permitiendo la construcción de circuitos electrónicos complejos, como los de las microcomputadoras, equipos de sonido y vídeo, y satélites de comunicaciones. 1.2 DEFINICIONES ELECTRONICA: La electrónica es el campo de la ingeniería y de la física aplicada relativo al diseño y aplicación de dispositivos, por lo general circuitos electrónicos, cuyo funcionamiento depende del flujo de electrones para la generación, transmisión, recepción, almacenamiento de información, entre otros. Esta información puede consistir en voz o música como en un receptor de radio, en una imagen en una pantalla de televisión, o en números u otros datos como en una computadora. 4

5 ELECTRICIDAD: La electricidad es el campo de la física aplicada relativo a la generación, transmisión y distribución de energía eléctrica. 1.3 DIVISIÓN DE LA ELECTRÓNICA Electrónica analógica y electrónica digital: La electrónica digital dispositivos que trabajan con dos estados 1 (Lógico) y 0 (lógico), La electrónica analógica dispositivos que trabajan una señal que varía en el tiempo. Los circuitos electrónicos ofrecen diferentes funciones para procesar esta información, incluyendo la amplificación de señales débiles hasta un nivel que se pueda utilizar; el generar ondas de radio; la extracción de información, como por ejemplo la recuperación de la señal de sonido de una onda de radio (demodulación); el control, como en el caso de introducir una señal de sonido a ondas de radio (modulación), y operaciones lógicas, como los procesos electrónicos que tienen lugar en las computadoras. 5

6 II DIODOS SEMICONDUCTORES Objetivo particular de la unidad Utilizar los diodos de unión y especiales en circuitos de aplicaciones especifica. Habilidades por desarrollar en la unidad Aplicar la teoría de los diodos por medio del armado de circuitos. 2.1 INTRODUCCIÓN Los diodos semiconductores son uno de los dispositivos más sencillos que existen dentro de la electrónica y no por esto quieren decir que sean menos importantes, en la actualidad los diodos juegan un papel muy importante ya que su uso esta relacionado a casi toda la electrónica. Un diodo semiconductor esta formado por dos materiales semiconductores impurificados que al unirse forman el diodo. Un diodo semiconductor tiene una infinidad de aplicaciones entre las cuales podemos mencionar el rectificador, rectificar significa recortar es decir recorta una señal de tipo alterno y como se sabe las señales de tipo alterno tienen un semiciclo positivo y un semiciclo negativo, entonces recortan ya sea el semiciclo positivo o el semiciclo negativo dependiendo de la posición del diodo en el circuito, doblador de voltaje, sujetador de voltaje etc. El funcionamiento de un diodo semiconductor de unión ideal tiene un comportamiento similar a un interruptor, es decir el interruptor puede estar encendido o apagado, o comúnmente podemos decir que conduce cuando esta encendido o no conduce cuando está apagado. En este tema aprenderemos a probar físicamente si un diodo este en buenas condiciones, además sabremos señalar cuales son las dos terminales de los diodos (ánodo, cátodo), al final del tema podremos elaborar circuitos electrónicos donde se involucren los diodos. Además de los diodos de unión existen otros diodos conocidos como diodos Zener este dispositivo lleva este nombre en honor a su descubridor Karl Zener, lo diodos Zener sirven para regular voltajes, sabremos utilizar estos diodos en circuitos prácticos. Los diodos LED (Light Emmited Diode) son otro tipo de diodos que generalmente se utilizan como señalizadores, aprenderemos a determinar de una forma practica las terminales de un diodo LED. 6

7 2.2 SEMICONDUCTORES El nombre de semiconductor por si misma proporciona una pista en cuanto a las características de este dispositivo. El prefijo semi se aplica en general a todo aquello que se encuentra entre la mitad de dos límites. El término Conductor se aplica a cualquier material que permita un flujo considerable de carga debido a la aplicación de una cantidad limitada de presión externa. Un semiconductor es por lo tanto un material que tiene un nivel de conductividad en algún lugar entre los extremos de un aislante (de muy baja conductividad) y un conductor como el cobre que tiene un alto nivel de conductividad. El Silicio (Si) y el Germanio (Ge) son materiales semiconductores que tienen la propiedad de cambiar sus características eléctricas a través de un proceso de impurificación. Otras razones incluyen el hecho de que sus características pueden alterarse notablemente mediante la aplicación de calor y luz (una consideración importante en el desarrollo de los dispositivos sensibles a la luz y calor). Un semiconductor es un elemento con valencia igual a cuatro. Esto significa que un átomo aislado de semiconductor tiene cuatro electrones en su orbita exterior o de valencia. El número de electrones en la órbita de valencia es clave para la conductividad eléctrica. Los conductores poseen un electrón de valencia, los semiconductores tienen cuatro electrones de valencia y los aislantes tienen ocho electrones de valencia. Algunas cualidades únicas del Si y del Ge señaladas se deben a su estructura atómica. Los átomos de ambos materiales forman un patrón bastante definido que es de naturaleza periódica (esto es, se repite en forma continua). Un patrón completo se denomina cristal y el arreglo periódico de los átomos se denomina red. En el caso del Si y del Ge el cristal tiene una estructura tridimensional del diamante como se muestra en la figura 2.1 Fig. 2.1 Estructura monocristalina del Si y del Ge Cualquier material compuesto únicamente de estructuras cristalinas repetitivas del mismo tipo se llama estructura monocristalina En materiales semiconductores de aplicación práctica en el campo de la electrónica, existe esta característica monocristalina y además, la periodicidad de la estructura no cambia de manera importante con la adición de impureza en el proceso de impurificación. 7

8 Como sabemos el átomo se compone de tres partículas fundamentales que son el electrón, protón y neutrón en la red atómica los electrones y los protones forman los núcleos en tanto que los electrones giran alrededor del núcleo en una orbita fija. El átomo de Ge tiene 32 electrones en órbita, mientras que el silicio tiene 14 electrones alrededor del núcleo. En cada caso, existen cuatro electrones en la órbita exterior (de valencia). El potencial (potencial de ionización) que se requiere para movilizar cualquiera de estos cuatro electrones de valencia, es menor que el requerido por cualquier otro electrón dentro de la estructura. En un cristal puro de Ge o de Si estos cuatro electrones de valencia se encuentran unidos a cuatro átomos adyacentes como se muestra en la figura 2.2 para el silicio. Tanto el Ge como el Si se dice átomos tetravalentes, porque cada uno tiene cuatro electrones de valencia. Este tipo de unión formada por electrones compartidos recibe el nombre de enlace covalente. Figura 2.2 Enlace covalente del átomo de Si. Los materiales semiconductores como el Ge y el Si, muestran una reducción en resistencia con el incremento en la temperatura entonces se dice tienen un coeficiente de temperatura negativo. Al contrario de los materiales conductores que su resistencia aumenta conforme aumenta su temperatura de estos se dice que tiene un coeficiente de temperatura positivo. 2.3 MATERIALES EXTRÍNSECOS TIPO N Y TIPO P Las características de los materiales semiconductores pueden alterarse de modo considerable mediante la adición de ciertos átomos de impureza en el material semiconductor relativamente puro. Estas impurezas, aunque sólo haya sido añadida 1 parte en 10 millones, pueden alterar en forma suficiente la estructura de la banda y cambiar totalmente las propiedades eléctricas del material. 8

9 Un material semiconductor que haya sido sujeto de dopado (dopar significa impurificar) se denomina un material extrínseco. Existen dos materiales extrínsecos muy importantes para la fabricación de dispositivos semiconductores el tipo N y el tipo P Material tipo N Tanto el material tipo N como el tipo P se forman mediante la adicción de un número predeterminado de átomos de impurezas a una base de Si o Ge. El tipo N se crea a través de la introducción de elementos de impureza que poseen cinco electrones de valencia (pentavalentes), como el Antimonio, Arsénico y Fósforo. El efecto de estas impurezas se muestra en la figura 2.3. Fig. 2.3 Impurezas de antimonio en el Silicio para formar un material tipo N Note que los cuatro enlaces covalentes están aun presentes, sin embargo, hay un quinto electrón adicional debido al átomo de impureza el cual no esta asociado con algún enlace covalente particular. Las impurezas difundidas con cinco electrones de valencia se les llaman átomos donadores. Es importante comprender que, aunque un número importante de portadores "libres" se han creado en el material tipo n, éste aún es eléctricamente neutro, debido a que de manera ideal el número de protones cargados positivamente en los núcleos es todavía igual al número de electrones "libres" cargados negativamente y en órbita en la estructura Material tipo P El material tipo P se forma mediante la impurificación de un cristal puro de Germanio o de silicio con átomos de impureza que tengan tres electrones de 9

10 valencia. Los elementos que se utilizan con mayor frecuencia para este propósito son el Boro, Galio e Indio. En la figura 2.4 se muestra el efecto de uno de estos elementos el Boro sobre una base de Si. Fig. 2.4 Impurezas de Boro en un en el Si para formar un material tipo P. En la figura se muestra que ahora hay un número insuficiente de electrones para completar los enlaces covalentes de la red recién formada. La vacancia que resulta se denomina Hueco y se presenta por un pequeño círculo o signo positivo, debido a la ausencia de carga negativa. Puesto que la vacancia resultante aceptará de inmediato un electrón libre, las impurezas añadidas reciben el nombre de átomos aceptores. El material tipo P es eléctricamente neutro. El efecto de un hueco en la conducción se muestra en la figura 2.5 Si un electrón de valencia adquiere suficiente energía cinética para romper el enlace covalente y llena la vacancia creada por un hueco, entonces se creará un hueco en el enlace covalente que liberó ese electrón. En efecto hay una transferencia de huecos hacia la izquierda y de electrones hacia la derecha como se muestra en la figura

11 Fig.2.5 flujo de electrones contra flujo de huecos 2.4 PORTADORES MAYORITARIOS Y MINORITARIOS En el estado intrínseco, el número de electrones libres en Ge o en Si se debe sólo a aquellos electrones en la banda de valencia que han adquirido suficiente energía de las fuentes térmicas o luminosas para romper el enlace covalente o a las pocas impurezas que no pudieron eliminarse. Las "vacantes" dejadas atrás en la estructura del enlace covalente representan una cantidad muy limitada de huecos. En un material tipo n, el número de huecos no ha cambiado de manera significativa de su nivel intrínseco. El resultado neto, por tanto, es que el número de electrones supera por mucho el número de huecos. Por esta razón: En un material tipo n al electrón se le llama portador mayoritario y el hueco es el portador minoritario. En un material tipo p el hueco es el portador mayoritario y el electrón el portador minoritario. Lo anterior se muestra en la figura 2.6 Fig. 2.6 (a) material tipo P (b) material tipo N 11

12 En la figura 2.6 se muestran los portadores mayoritarios y minoritarios para los dos tipos de semiconductores. En la figura 2.6 (b) es lo inverso que el material tipo N. Cuando el quinto electrón de un átomo donador deja a su átomo, el átomo que deja adquiere una carga positiva neta: de ahí el signo positivo en la representación de ion donador. Por razones análogas, el signo negativo aparece en el ion aceptor. Los materiales tipo n y p representan los bloques de construcción básicos de los dispositivos semiconductores. En la siguiente sección se encontrará que la "unión" de un solo material tipo n con un material tipo p tendrá por resultado un elemento semiconductor de importancia considerable en los sistemas electrónicos. 2.5 DIODO IDEAL El diodo es un dispositivo electrónico, el más sencillo de los dispositivos semiconductores, pero desempeña un papel muy importante en los sistemas electrónicos. Sus características son muy similares a las de un sencillo interruptor, El diodo tiene una amplia variedad de aplicaciones, que van desde las más sencillas a las más complejas. A parte de los detalles de su construcción y sus características, los datos y gráficas muy importantes que se encuentran en las hojas de especificaciones también se estudiaran para asegurar el entendimiento de la terminología empleada y para poner de manifiesto la abundancia de información de la por lo general se dispone y que viene de los fabricantes Antes de examinar la construcción y las características de un dispositivo real, se considera el dispositivo ideal, para proporcionar una base comparativa. El diodo ideal es un dispositivo de 2 terminales que tiene el símbolo y las características que se muestran en la figura 2.7. Fig. 2.7 Diodo ideal símbolo y característica 12

13 En la figura se puede apreciar que los voltajes a la izquierda (polarización inversa) del eje Y son negativos, por el contrario los voltajes a la derecha (polarización directa) del eje Y son positivos. De manera ideal, un diodo conducirá corriente en la dirección que define la flecha en el símbolo, y actuará como un circuito abierto en cualquier intento por establecer corriente en dirección opuesta. Es decir es un dispositivo unidireccional. Un diodo ideal es un corto circuito para la región directa de conducción (I D 0) o polarización directa. El diodo ideal es un circuito abierto en la región que no hay conducción (I D =0) o polarización inversa. En síntesis en la figura 2.8 y 2.9 se muestran lo explicado en los párrafos anteriores. Figura 2.8. Estado de conducción de un diodo ideal Figura 2.9. Estado de no-conducción de un diodo ideal 2.6 DIODO SEMICONDUCTOR El diodo semiconductor se forma simplemente uniendo los materiales tipo n y tipo p. Como se muestra en la figura Existen técnicas para formar esta unión. Fig Unión P-N sin polarización 13

14 En el momento en que son "unidos" los dos materiales, los electrones y los huecos en la región de la unión se combinan, dando por resultado una falta de portadores en la región cercana a la unión. Esta región de iones positivos y negativos descubiertos se le llama región de agotamiento o de vaciamiento, debido al agotamiento de portadores en esta región. Como el diodo es un dispositivo de dos terminales, la aplicación de un voltaje a través de sus terminales permite tres posibilidades: A) Sin polarización (VD = 0V): en ausencia de un voltaje de polarización aplicado, el flujo neto de la carga en cualquier dirección para un diodo semiconductor es cero. Figura Unión p-n sin polarizar externamente. B) Polarización inversa. Si un potencial o voltaje externo se aplica en la unión P-N de manera tal que la terminal positiva este conectada al material tipo N y la terminal negativa la materia tipo P, como se muestra en la figura 2.12 el número de iones positivos descubiertos en la región de vaciamiento del material tipo N aumentará debido al mayor número de electrones libres arrastrados hacia el potencial positivo del voltaje aplicado. Por razones similares el numero iones negativos descubiertos se incrementará en el material tipo P. El efecto neto, en consecuencia, es un ensanchamiento de la región de vaciamiento. Dicho ensanchamiento de la región de vaciamiento establecerá una barrera demasiado grande como para que los portadores mayoritarios puedan superarla, reduciendo efectivamente el flujo de los mismos a cero. Como se muestra en la figura

15 Fig Unión P-N polarizada inversamente Sin embrago el número de portadores minoritarios que estarán entrando a la región de vaciamiento no cambiará, lo que ocasiona vectores de flujo de portadores minoritarios de la misma magnitud que cuando no se aplica voltaje. La corriente que existe bajo estas condiciones se denomina corriente de saturación inversa y se representa mediante el subíndice S. b) Polarización directa (VD > 0V): Una condición de polarización directa se establece aplicando un voltaje positivo al material tipo P y un voltaje negativo al material tipo N como se indica en la figura Es importante notar que el flujo de portadores minoritarios no ha cambiado en magnitud, pero que la reducción del ancho de la región de vaciamiento ha provocado un flujo de portadores mayoritarios intenso a través de la unión. La magnitud del flujo de portadores mayoritarios se incrementará exponencialmente con el aumento de la polarización directa como se indica en la figura

16 Figura Unión p-n con polarización directa Fig Característica del diodo semiconductor 16

17 2.7 OPERACIÓN Y CURVA CARACTERÍSTICA DEL DIODO El la figura 2.15 se ilustran las características de operación de un diodo práctico. Esta curva difiere de la característica ideal de la figura 2.7 en los siguientes puntos: conforme el voltaje en polarización directa aumenta más allá de cero Volts, la corriente no fluye de inmediato. Es necesario un voltaje mínimo, denotado por VT, también llamado voltaje de conducción, para obtener una corriente significativa. Conforme el voltaje tiende a exceder VT la corriente aumenta con rapidez. La pendiente de la curva característica es grande pero no infinita, como en el caso del diodo ideal. La tensión mínima VT necesaria para obtener una corriente significativa, es aproximadamente 0.7 V para el diodo de Si (a temperatura ambiente) y 0.3 V para los diodos de Ge. La diferencia de para el silicio y el germanio radica en la estructura atómica de los materiales. Para diodos luminiscentes o diodo LED (Ligth Emmited Diodo) de arseniuro de galio, VT es aproximadamente de 1.2 Volts. Estos diodos se estudiaran más adelante Cuando el diodo está polarizado el inversa, existe una pequeña corriente de fuga, está corriente se produce siempre que el voltaje sea inferior al requerido para romper la unión. El voltaje máximo de polarización inversa antes de entrar a la región Zener se denomina Voltaje de pico inverso o VPI. Si una aplicación requiere de un VPI nominal mayor que el de una sola unidad, varios diodos de las mismas características pueden conectarse en serie. Los diodos también se conectan en paralelo para aumentar la corriente. Los diodos de Si tienen, en general, valores nominales de VPI y de corriente más alto e intervalos de temperatura más amplios que los diodos de Ge. El VPI nominal para los diodos de Si puede encontrarse alrededor de los 1000 Volts, en tanto que para los de Ge el valor máximo es cercano a los 400 Volts. El Si puede utilizarse en aplicaciones en las que es posible que la temperatura aumente a cerca de los 200 ºC. (400 ºF), en tanto que el Ge presenta un valor nominal máximo más bajo 100 ºC. El Si presenta desventajas con respecto al Ge, esto es el voltaje de polarización directa al cual el diodo empieza a conducir es del orden de 0.7 V para diodos comerciales de Si y de 0.3 V para los diodos de Ge. 17

18 Fig Curva característica del diodo de Silicio y de Germanio 2.8 EFECTOS DE LA TEMPERATURA La temperatura es un aspecto de suma importancia en el diseño o análisis de los sistemas electrónicos. Afectará prácticamente casi todas las características de cualquier dispositivo semiconductor. El cambio en las características de un diodo semiconductor debido a las variaciones de la temperatura por encima o por debajo de la temperatura ambiente (25oC)se muestra en la figura 2.16 Se observan niveles reducidos de caída del voltaje directo, pero también niveles crecientes de la corriente de saturación a 100 ºC. El potencial Zener experimenta también un cambio de nivel pronunciado. 18

19 Fig Variación de las características del diodo con el cambio de temperatura. 2.9 HOJAS DE ESPECIFICACIONES DEL DIODO Los datos relativos a los dispositivos semiconductores específicos se proporciona normalmente por el fabricante en dos formas. Una es una muy breve descripción de un dispositivo que permitirá, en una cuantas paginas una rápida revisión de todos los dispositivos disponibles. El otro caso es una revisión completa de un dispositivo, incluso gráficas, aplicaciones, etc. Esta última solo normalmente se proporciona sólo cuando se solicita en forma específica. Sin embargo, hay ciertas partes de los datos que casi siempre aparecen en cualquiera de las dos, ellas se señalan a continuación: El máximo voltaje en polarización directa VF (máx.) (a temperatura y corrientes especificadas) La máxima corriente en polarización directa IF (máx.) (a una temperatura especificada) La máxima corriente e polarización inversa IR (máx.) ( a una temperatura especificada) El valor nominal del voltaje inverso (VPI) o bien PRV o VBR donde BR proviene del término ruptura (a una temperatura especificada), Capacitancia Máxima. La máxima temperatura de operación o del encapsulado. Dependiendo del tipo de diodo que se está considerando, es posible que también se proporcionen datos adicionales, como el rango de frecuencia, el nivel de ruido, el tiempo de conmutación, los niveles de resistencia térmica y los valores pico repetitivo. Para la aplicación que se tiene en mente, la importancia de los datos casi siempre será evidente por si misma, Si la potencia máxima o el valor nominal de disipación se proporciona también, se entiende que será igual al siguiente producto. PD max = VD ID 19

20 Donde ID y VD son la corriente y el voltaje del diodo en un punto de operación particular, sin que cada variable exceda su valor máximo Tabla 2.1 Característica de algunos diodos de propósito general. 20

21 Fig características eléctricas de los diodos BAY73 y BA123 de alto voltaje. 21

22 2.10 APLICACIONES DEL DIODO DE UNIÓN Rectificación de media onda El análisis en torno al diodo se extenderá para incluir funciones que varían con el tiempo como la forma de onda senoidal y la forma de onda cuadrada. Es claro que el grado de dificultad aumentara, pero una vez que se comprendan algunos cuantos procedimientos fundamentales, el análisis será bastante directo y seguirá un camino común. La red más simple que se examinará con una señal variable en el tiempo aparece en la figura 2.18 (en este caso se utiliza el modelo ideal). Figura 2.18 Rectificador de media onda A través de un ciclo completo, definido por el periodo T, el valor promedio es cero. El circuito rectificador de media onda que se muestra en la figura 2.19 generará una forma de onda vo, la cual tendrá un valor promedio de uso particular en el proceso de conversión de AC a DC. Cuando un diodo es usado para el proceso de rectificación, es común que se le llame rectificados. Sus valores nominales de potencia y corriente son normalmente mucho más altos que los de los diodos que se usan en otras aplicaciones, como en computadoras o sistemas de comunicación. Durante el intervalo t = 0 ==> T/2, la polaridad del voltaje aplicado vi es como para establecer "presión" en la dirección que se indica, y encender el diodo con la polaridad indicada arriba del diodo. Al proceso de eliminación de la mitad de la señal de entrada para establecer un nivel DC se le llama rectificación de media onda. El efecto del uso de un diodo de silicio con VT = 0.7 V se señala en la siguiente figura par región de polarización directa. La señal aplicada debe ser ahora de por lo menos 0.7 antes de que el diodo pueda "encender". Para los niveles de vi menores de 0.7 V el diodo aún está en estado de circuito abierto y v0 = 0 V, como indica la misma figura. Cuando conduce, la diferencia entre v0 y vi se encuentra en un nivel fijo de VT = 0.7 V y v0 = vi - VT, según se indica en la figura. El efecto 22

23 neto es una reducción en el área arriba del eje, la cual reduce de manera natural el nivel resultante de voltaje DC Rectificación de onda completa, puente de diodos El nivel de CD que se obtiene a partir de una entrada senoidal puede mejorar al 100% si se utiliza un proceso que se llama rectificación de onda completa. La red más familiar para llevar a cabo tal función aparece en la figura 2.19 con sus cuatro diodos en una configuración en forma de puente durante el periodo t = 0 a T/2 la polaridad de la entrada se muestra en la figura 2.20 para mostrar que D2 y D3 están conduciendo, en tanto que D1 y D4 se hallan en estado "apagado". El resultado neto es la configuración de la figura 2.21, con su corriente y polaridad indicadas a través de R. Debido a que los diodos son ideales, el voltaje de carga vo = vi, según se muestra en la misma figura. Figura 2.19 Puente rectificador de onda completa. Figura Rectificador de onda completa para el periodo 0? T/ 2 de voltaje de entrada vi. Figura Trayectoria de conducción para la región positiva de vi. 23

24 2.11 EL DIODO ZENER Los diodos rectificadores y los diodos para señales pequeñas nunca se emplean intencionalmente en la región de rompimiento, ya que esto podría dañarlos. Un diodo zener es diferente; se trata de un diodo de silicio que se ha diseñado para que opere en la región de rompimiento. En otras palabras, a diferencia de los ordinarios que nunca trabajan en la región de rompimiento, los diodos zener funcionan mejor en la región de rompimiento. Llamado a veces diodo de rompimiento, el diodo zener es la esencia de los reguladores de voltaje, los cuales son circuitos que mantienen el voltaje casi constante sin importar que se presenten grandes variaciones en el voltaje de línea y la resistencia de carga. En cualquiera símbolo de diodos, donde aparezca una letra z, denota al zener. Variando el nivel de impurificación de los diodos de silicio, el fabricante puede producir diodos zener con voltajes de rompimiento que van desde 2 hasta 200V. Estos diodos pueden operar en cualquiera de las tres regiones: directa de fuga y rompimiento. En la región directa, el diodo zener comienza a conducir aproximadamente a los 0.7 V, igual que un diodo ordinario de silicio. En la región de fuga (entre cero y el rompimiento) exhibe solamente una pequeña corriente inversa. En un diodo zener, el rompimiento tiene una rodilla muy pronunciada, seguida de un aumento casi vertical en la corriente. En las hojas de datos usualmente se indica el valor de (vz) para un valor particular de la corriente (IET). No permita que lo confunda el signo menos. Los signos menos tienen que incluirse en las gráficas por que en ellas se muestran al mismo tiempo los valores para polarización directa e inversa. Pero no es necesario emplear signos menos en otros contextos si su significado es claro sin ellos. Por ejemplo, es preferible decir que un diodo zener tiene un voltaje de rompimiento de 10V. Un diodo zener tiene que estar polarizado inversamente DISPOSITIVOS OPTOELECTRONICOS La opto electrónica es la tecnología que combina la electrónica con la óptica. Este emocionante campo incluye muchos dispositivos basados en la acción de una unión (pn. Ejemplos de dispositivos opto electrónicos son los diodos emisores de luz (led), y los foto diodos DIODOS EMISOR DE LUZ También se simboliza como a los diodos convencionales, excepto que estos llevan unas flechas que salen y simbolizan la luz que irradia. En un led con polarización directa, los electrones libres atraviesan la unión y caen en los huecos. Como caen de niveles energéticos altos a niveles energéticos bajos, radian luz. En los diodos ordinarios, esta energía se disipa en forma de calor. 24

25 III TRANSISTORES BIOLARES DE UNIÓN (BJT) Objetivo particular de la unidad Utilizar los BJT s en circuitos de aplicaciones especifica. Habilidades por desarrollar en la unidad Aplicar la teoría de los BJT s por medio del armado de circuitos. 3.1 INTRODUCCIÓN La señal de radio o televisión es tan débil que no sirve para excitar un altavoz o un tubo de televisión. Por eso la señal debe amplificar hasta que tenga la potencia suficiente para ser útil. La señal de radio o televisión recibida por una antena es tan débil que no sirve para excitar un altavoz o un tubo de televisión. Por esto la señal se debe amplificar hasta que tenga la potencia suficiente necesaria para ser útil. Antes de l951, el tubo de vacío era el elemento principal empleado para amplificar señales débiles. A pesar de que amplificaba muy bien, el tubo de vacío tiene varias desventajas. En primer lugar posee un filamento interno que consume 1 W o más de potencia. En segundo lugar, su vida unos cuantos miles de horas, ya que el filamento se quema al cabo del tiempo. En tercer lugar, ocupa demasiado espacio. En cuarto lugar disipa calor que eleva la temperatura interna del cuerpo electrónico. En 1951, shockley invento el primer transistor de unión, un dispositivo semiconductor capaz de amplificar señales de radio y televisión. Las ventajas del transistor superan las desventajas del tubo del vació. En primer lugar, no tiene filamento calefactor; por lo tanto, consume un apotencia mucho menor. En segundo lugar, como un transistor es un dispositivo semiconductor, puede durar indefinidamente. En tercer lugar, como es tan pequeño, ocupa mucho menos calor, el equipo electrónico puede funcionar a temperaturas más bajas. Gracias al transistor se han logrado muchos otros inventos, incluyendo al circuito integrado (CI), pequeño dispositivo que contiene miles de transistores. Las computadoras modernas y otros milagros de la electrónica con posibles gracias al CI. 25

26 3.2 CONSTRUCCIÓN DEL TRANSISTOR El transistor es un dispositivo semiconductor de tres capas, compuesto ya sea de dos capas de material tipo N y una tipo P y una de tipo N. El primero se denomina transistor NPN, en tanto que el último recibe el nombre de transistor PNP. La abreviatura BJT (Bipolar Junction Transistor = Transistor de Unión Bipolar) se aplica a menudo a este dispositivo de tres terminales. El término bipolar refleja el hecho de que los electrones y los huecos participan en el proceso de inyección en el material polarizado opuestamente. Si solo uno de los portadores se emplea (electrón hueco), se considera que el dispositivo es unipolar Diodos del emisor y el colector El transistor de la figura (3.1.) tiene dos uniones: una entre el emisor y al base y otra entre la base y el colector. Por esto, un transistor es similar a dos diodos. El emisor y la base forman uno de los diodos, mientras que el colector y la base forman el otro. Fig. 3.1 estructura del transistor Fig. 3.2 Zonas de deplexión 26

27 3.3 OPERACIÓN DEL TRANSISTOR Electrones del emisor En la figura (3.3) se ve un transistor con polarización. El signo menos representa electrones libres. Los iones no se muestran pero están presentes en cada región. En la figura (3.3) el emisor esta fuertemente impurificado: su función consiste en emitir o inyectar electrones libres a la base. Esta es muy delgada y tiene una impurificación muy ligera; deja de pasar hacia el colector la mayor parte de electrones inyectados por el emisor. El nivel de purificación del colector es un valor intermedio entre al fuerte impurificación del emisor y la ligera impurificación del emisor y la ligera impurificación de la base. El colector se llama así porque colecta o recoge electrones provenientes de la base. La fuente de la izquierda en la figura (3.3) polariza directamente al diodo emisor, y la fuente de la derecha polariza inversamente al diodo colector Electrones de la base Fig. 3.3 Transistor polarizado Si V BB es mayor que la barrera de potencial, los electrones del emisor entraran a la región de la base como se ve en la figura. Estos electrones libres pueden circular en cualquiera de dos direcciones. Por una parte, circulan hacia la izquierda saliendo por la base y pasando a través de R B hacia la terminal positiva de la fuente. Por otra, los electrones libres pueden circular hacia el colector. Cuál es la trayectoria que sigue la mayor parte de electrones libres? La mayor parte de ellos seguirá el camino hacia el colector por qué? Por dos razones; la primera es la poca impurificación de la base. Debido a esto, los electrones tienen un largo tiempo de vida de región de la base eso les da el tiempo necesario para 27

28 llegar al colector. La segunda razón es que la base es muy angosta. Esto les da mayores posibilidades de llegar al colector. Dicho en otras palabras, para fluir fuera de la base hacia el resistor externo, los electrones libres deben primero recombinarse con los huecos de la base. Luego, ya como electrones de valencia, pueden fluir hacia la izquierda hasta salir de la base y entrar al conductor externo de conexión. Como la purificación de la base es pequeña, y además la base es angosta, muy pocos electrones pueden recombinarse y escapar por la conexión externa. Fig. 3.4 Electrones que entran en la base Electrones del colector Casi todos los electrones van hacia el colector (vea la figura siguiente) estando ya en el colector, sienten la atracción del voltaje V CC. A consecuencia de esto, circulan a través del colector y a través de R C hasta que alcanzan la terminal positiva de la tensión de la fuente del colector. V BB polariza directamente al diodo emisor, forzando los electrones del emisor entrar a la base. Delgada y apenas impurificada base les da casi a todos ellos el tiempo suficiente para difundirse en el colector. Estos electrones circulan al colector a través de R C y hacia la terminal positiva de la frente del voltaje V CC. En la mayor parte de los transistores, más del 95% de los electrones del emisor fluyen hacia el colector; menos del 5% fluyen hacia la conexión externa de la base. 28

29 3.3.4 Corriente en un transistor Fig.3.5 Electrones que entran al colector La figura 3.6 contiene un símbolo de un transistor (a) flujo convencional (b) flujo de electrones. En la figura hay tres corrientes distintas en el transistor. La corriente del emisor I E, la corriente de la base I B y la corriente del colector I C. Como el emisor es la fuente de electrones, su corriente es la mayor de las tres. Casi todos los electrones del emisor circulan hacia el colector; por lo tanto, la corriente de este es aproximadamente igual a la corriente del emisor. La corriente de la base es muy pequeña comparando con las otras dos. Fig. 3.6 Símbolo del transistor 29

30 Recuerde las leyes de las corrientes de Kirchhoff. Estas establecen que la suma de todas las corrientes que entran a un nodo o unión es igual a la suma de todas las corrientes que salen. Al aplicar a un transistor, la ley de Kirchhoff proporciona esta importante relación entre las tres corrientes del transistor. I E = I C + I B Como la corriente de la base mucha menor que la corriente del colector, la ecuación sugiere de inmediato esta idea: en muy buena aproximación, la corriente del colector es igual a la corriente del emisor. Una de las cosas que hacen que el transistor sea útil es que la corriente del colector es mucho mayor que la corriente de la base. De hecho, la ganancia de corriente β CC de un transistor se define como la corriente del colector dividida entre la corriente de la base. β CC = I C / I B La ecuación de la ganancia se puede reordenar en dos formas equivalentes. La primera cuando se conocen los valores de β CC e I B, permite calcular la corriente del colector mediante la siguiente ecuación: I C = β CC * I B La segunda, cuando se conocen los valores de la I C y β CC se puede calcular la I B con: I B = I C / β CC Las tres ecuaciones son importantes en el análisis y el diseño de circuitos con transistores. Ejemplo. Un transistor tiene una corriente de colector de 10 ma y una corriente de base de 40 ma Cuál es la ganancia de corriente del transistor? Solución: β CC = I C / I B = 10 ma / 40 ma= 0.25 ma 30

31 3.4 TRES REGIONES DE OPERACIÓN La curva de la figura 3.7 exhibe tres regiones o áreas, en cada una de las cuales la operación de los transistores es diferente. Fig.3.7 Familia de las curvas de salida Primero se tiene la región central, en la que el valor de V CE puede entrar entre 1-40V aproximadamente. Esta es la región más importante ya que representa la operación normal de un transistor. En ella el diodo emisor esta polarizado directamente y el diodo colector tiene polarización inversa. Además el colector se encuentra juntando o reuniendo casi todos los electrones que el emisor ha enviado a la base por esto los cambios en el voltaje del colector no tienen efecto sobre la corriente del colector. A esta región se le da el nombre de región activa prácticamente esta región es la parte horizontal de la curva. Otra de las regiones de operación es la región de rompimiento. El transistor nunca debe operar en ella, ya que en tal caso seria alternante probable su destrucción o bien su degradación. Un transistor no esta diseñado para operar en la región de rompimiento. Finalmente, en la parte ascendente de la curva donde V CE esta entre cero y aproximadamente 1V está mostrada por una inclinación en de la curva, esta es la región de saturación. En esta región el diodo del colector no esta polarizado inversamente. En resumen la curva tiene una región de saturación, una región activa y una región de rompimiento. Un transistor puede operar sin peligro de saturación o en la región activa pero no en la región rompimiento. En aplicaciones en las que el 31

32 transistor amplifica señales débiles de radio y televisión siempre estará pasando la región activa Configuración de base común La terminología relativa o base común se desprende del hecho de que la base es común a los dos lados de entrada y salida de la configuración. En la región activa la unión colector- base esta inversamente polarizada mientras que la unión base-emisor se encuentra polarizada en forma directa en la región de corte se define como aquella región donde la corriente de colector es de cero en la región de corte ambas uniones, colector-base y base-emisor, de un transistor están inversamente polarizadas. En la región de saturación las uniones colector-base y base-emisor están polarizadas inversamente Configuración de colector común La configuración de colector común se emplea fundamentalmente para propósitos de acoplamiento de impedancia, ya que tiene una elevación de impedancia de entrada y una baja impedancia de salida. Que es lo opuesto a la configuración de base común y de emisor común Circuitos de base común Como se mencionó anteriormente, la base común funciona con la señal de entrada y la de salida en un circuito de base común. Al circuito de base común también se le conoce como circuito de base a tierra. Este tipo de circuitos proporciona altas ganancias de voltaje, pero su ganancia de corriente es inferior a uno. Por lo anterior, los transistores son amplificadores ideales, porque cuando se aplica una señal de CA a las terminales de entrada de un transistor, en las terminales de salida aparece una reproducción amplificada de la misma señal. Aunque hay muchas maneras posibles de conectar las señales de entrada, solo hay tres configuraciones útiles de circuitos de transistores para la amplificación de corriente o potencia de base común, ó de emisor común y de colector común. Así, el circuito de base común (ó base a tierra) la señal entra al circuito emisor-base y sale del circuito de colector-base. En consecuencia, el elemento de la base del transistor es común tanto al circuito de entrada como al circuito de salida debido a que el circuito de entrada ó emisor-base del transistor tiene baja impedancia (del orden de 1 a 100Ω) y que la salida del transistor, ó sea el circuito del colector base tiene una alta impedancia del orden 1000 a 1M Ω la ganancia de voltaje o potencia para la configuración de base común puede ser hasta de

33 En los transistores reales, más o menos entre 97 y 99.5% la corriente del emisor llega al colector. Por lo tanto las ganancias de corriente de una configuración de base común siempre es menor de 1 ó sea la unidad Relación entre β cc y ά CC Como se vio en la lección anterior β cc es la ganancia dada por la relación I C / I B. Sin embargo existe otra relación entre I C e I E dada por β CC siendo esta una ganancia también pero entre el colector y el emisor, dada por: ά CC = I C / I E Mediante un sencillo cálculo matemático se obtiene la relación entre β cc y ά CC dada por: β cc = ά CC / (1 - ά CC ) Ejemplo: Determine la β cc y la ά CC si el transistor tienen una corriente de base de 50 ma y una corriente en el colector de 3.65 ma Solución β cc = I C / I B = 3.65mA / 50 ųa = 73 ά CC = β cc / (β cc +1) = 73 / 74 = Análisis de la corriente A continuación se indica como calcular la corriente de la base. Suponga el voltaje en la resistencia de base es igual a la diferencia entre la fuente de voltaje V BB y la tensión de base a emisor VBE hay una resistencia R B. Aplicando la ley de Ohm a la resistencia de base para hallar la corriente de la base queda: I B = (V BB V BE ) / R B Por otro lado los voltajes con un solo subíndice (V C, V E, V B ) se refieren al voltaje de una de las terminales del transistor con respecto a tierra. Los subíndices dobles (V BE, V CE, V CB ) se refieren a voltaje entre dos terminales del transistor. Un voltaje con subíndices dobles se pueden calcular restando los correspondientes voltajes con un solo subíndice: V CE =V C - V E V CB =V C V B V BE = V B V E 33

34 Ejemplo: Sea V BB = a 10 V y R B = 100 KΩ. Cuál es el valor de la corriente de base? A menos que se diga otra cosa, el lector siempre puede suponer que se trata de un transistor de silicio y emplear la segunda aproximación, esto significa que el valor de 0.7 volts para V BE estará bien. Así como el resistor de la base tiene un voltaje de diodo de 10 V en su extremo izquierdo y 0.7 V en su extremo derecho, se tiene que entre sus extremos hay un voltaje de 9.3 V y esto da una corriente base de 93 ma. 34

35 IV TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO (FET) Objetivo particular de la unidad Utilizar los FET s en circuitos de aplicaciones especifica. Habilidades por desarrollar en la unidad Aplicar la teoría de los FET s por medio del armado de circuitos. 4.1 INTRODUCCIÓN El transistor bipolar es la espina dorsal de la electrónica lineal. Su funcionamiento de basa en dos tipos de cargas, electrones y huecos por esta causa se denomina bipolar, el prefijo bi significa dos. Para muchas aplicaciones lineales el transistor bipolar es la mejor selección. Pero hay otras muchas aplicaciones donde el transistor unipolar es el más adecuado. El funcionamiento de un transistor unipolar depende de un solo tipo de cargas que puede ser de electrones o de huecos. A este hechos se debe su nombre Uni significa uno. El transistor de efecto de campo (FET) es un ejemplo de un transistor unipolar en esta unidad se estudian los tres tipos de transistores de efecto de campo básicos, su estructura y su forma de trabajar. En la siguiente unidad se estudiaran los transistores de JFET (Transistor de Efecto de campo de Unión) el MOSFET de empobrecimiento y el MOSFET de enriquecimiento. Los principales usos de un JFET son como seguidor de fuente de forma similar al seguidor de emisor y como interruptor analógico (un circuito que transmite o bloquea señales alternas). El MOSFET de empobrecimiento se usó inicialmente como interruptor digital, elemento calve en los circuitos de las computadoras. 4.2 JFET DE COMPUERTA ÚNICA Debido a que las dos compuertas están siempre conectadas al mismo potencial, el dispositivo actúa como si tuviera una sola compuerta, la compuerta JFET es análoga a la base del transistor bipolar. En la figura 4-1(c), la compuerta es una región p, mientras que la fuente y el dren son regiones n. Por esto, un JFET es similar a dos diodos. La compuerta y la fuente forman uno de los dos diodos y la compuerta y el dren constituyen el otro. Como los JFET son dispositivos de silicio solo se requiere de 0.7 V de polarización directa para tener una corriente significante en cualquiera de los dos diodos. Estos dos diodos conducen en igual forma que un diodo de silicio. 35

36 Fig. 4.1 (a) Sección de un JFET (b) JFET de doble puerta (c) JFET de puerta única Obsérvese la semejanza que hay entre un JFET y el transistor bipolar: ambos dispositivos tienen tres terminales de conexión externas, ambos tienen dos diodos internos con una barrera de potencial de 0.7 V y ambos tienen tres regiones de interés. ANALOGÍA Bipolar Emisor Base Colector JFET Fuente Compuerta Dren 36

37 Debido a estas regiones similares, muchas de las ecuaciones del JFET son las ecuaciones del bipolar disfrazadas: Bipolar JFET E S (Source) Fuente B G (gate) Compuerta C D (Drain) Drenaje Por ejemplo, en lugar de una corriente de emisor de CD I E, un JFET tiene una corriente de CD I S. En lugar de una corriente de CD I B, o una corriente de compuerta de CD I b. En lugar de una corriente de colector de CD I C, tiene una corriente de dren de CD I D. Las semejanzas anteriores pueden conducir a pensar que se puede sustituir un JFET directamente en un circuito con transistores bipolares No es así! 4.3 POLARIZACIÓN DEL FET La figura 4.2 a presenta la forma normal de polarizar un JFET mire cuidadosamente y nótese que esta es diferente de la manera en que polarizamos un transistor bipolar. a) Polarización normal del JFET b) Capas de empobrecimiento Fig.4.2 Polarización normal del JFET 4.4 CORRIENTE DE COMPUERTA La gran diferencia de ésta: en un transistor bipolar polarizamos en directa el diodo base-emisor, pero, pero en un JFET siempre polarizamos en inversa el diodo de compuerta-fuente. Debido a la polarización inversa sólo una muy pequeña corriente de inversa puede existir en la terminal de conexión de la compuerta como una aproximación, la corriente de compuerta es cero, simbólicamente, Ib = 0 I b = 0 37

38 Si un dispositivo no tiene corriente de entrada, Qué indica acerca de su resistencia? Cabe señalar que el dispositivo tiene una resistencia de entrada infinita. Por ejemplo; si V GS = 2V, I G = 0, la resistencia de entrada es R G = 2V/0 = La situación real es que I G no es enteramente cero, así que la resistencia de entrada no es la del todo infinita. Pero si muy cercana. Un JFET característico tiene una resistencia de entrada de cientos de mega ohms. Está es la gran ventaja que tiene un JFET sobre un transistor bipolar. Y es la razón de que los JFET son excelentes en aplicaciones donde se requiere una gran impedancia de entrada. Una de las aplicaciones más importantes del JFET es la fuente seguidora. 4.5 EFECTO DE CAMPO El término efecto de campo se relaciona con las capas de empobrecimiento alrededor de cada región P como se observa en la figura 4-2 (b.) Las uniones entre cada región P y las regiones n tienen capas de empobrecimiento debido a que los electrones libres se difunden desde las regiones n dentro de las regiones P. Entonces la recombinación de los electrones libres y huecos crea las capas de empobrecimiento Mostradas por las áreas sombreadas de la figura 4-2 (b.) Nótese el área entre las dos capas de empobrecimiento, cuando los electrones fluyen desde la fuente hacia el dren, deben pasar a través del canal estrecho entre las dos capas de empobrecimiento cuánto más el negativo es el voltaje de compuerta, mas estrecho será el canal. En otras palabras, el voltaje de compuerta puede controlar la corriente a través del canal. Cuánto mas negativo es el voltaje de compuerta, más pequeña será la corriente entre la fuente y el dren. Como la compuerta de un JFET está polarizada en inversa en vez de estar polarizado en directa, el JFET actúa como un dispositivo controlado por voltaje en lugar de ser un dispositivo controlado por corriente. En un JFET, la cantidad de entrada que controla es el voltaje compuerta a fuente V GS, los cambios en V GS determinan cuanta corriente puede circular desde la fuente a dren. Esto es completamente diferente del transistor bipolar donde la cantidad de entrada es la corriente de base I B. El voltaje de control va de la mano con una alta impedancia de entrada, mientras que la corriente de control implica una impedancia de entrada menor. En la figura 4-2 (a) el voltaje de voltaje de dren es positivo y el voltaje de alimentación de la compuerta es negativo. Por eso, el voltaje entre la compuerta y el dren es negativo. En consecuencia el diodo compuerta-dren está polarizado en inversa. Como se ve, ambos diodos en un JFET están polarizados en inversa durante el funcionamiento normal. 38