ELECTRÓNICA PREPARADO POR: BOLÍVAR QUINTERO

Transcripción

1 1 En general, todos los materiales se clasifican en tres categorías principales: conductores, aisladores, y semiconductores. Estas categorías se han desarrollado con base en la capacidad del material, de permitir un flujo o corriente eléctrica, dependiendo de su estructura atómica. Entre los buenos conductores y los buenos aisladores se encuentran los materiales que no son una cosa ni la otra, se les denominan semiconductores, entre ellos el silicio, germanio, grafito, sulfuro de cadmio, arseniuro de galio. En electrónica se usan gran cantidad de componentes para conducir, controlar, seleccionar, dirigir, interrumpir, almacenar, en general para manipular corriente eléctrica, entre estos componentes tenemos a los pasivos, electromecánicos, las pilas y baterías, transductores, semiconductores. Los semiconductores han revolucionado el campo de la electrónica; un semiconductor se comporta indistintamente como un aislante, un conductor al alterarse bajo ciertas condiciones o estímulos externos como: luz, calor, temperatura, campo magnético, señales eléctricas de voltaje o corriente. A los semiconductores se les conoce dispositivos de estado sólido, y se dispone actualmente de diodos, transistores bipolares, transistores de efecto de campo, tiristores, circuitos integrados, microprocesadores, microcontroladores. Semiconductores En los semiconductores los electrones están unidos a los núcleos, excepto los que giran en la orbita exterior que se mueven de un átomo a otro de manera casual y son llamados electrones libres o de valencia.

2 2 Si el movimiento casual de los electrones libres se controla de modo que los electrones se muevan en la misma dirección resultaría un flujo de electrones denominado corriente eléctrica. Los conductores como el cobre, plata, oro tiene muy pocos electrones en la banda de valencia, por lo general uno, y son débilmente atraídos por el núcleo, por lo que pueden escapar fácilmente del átomo y convertirse en electrones libres. Los aislantes tiene ocho electrones de valencia por lo general y están fuertemente ligados al núcleo, por lo que son difíciles de convertirlos en electrones libres. átomo de silicio átomo de cobre Electrones y huecos en movimiento, constituyen una corriente eléctrica los huecos sólo pueden existir en un material semiconductor, ya que los huecos dependen para su existencia de un arreglo específico de electrones (o uniones pareadas de electrones). En los materiales conductores no existen los huecos. Los huecos se desvían mediante campos eléctricos y magnéticos al igual que los electrones. Por lo tanto en un semiconductor por el que circula corriente hay un movimiento permanente de electrones y huecos moviéndose en direcciones opuestas ya que el número de electrones libres es siempre igual al número de huecos. El flujo de electrones (corriente real) es siempre de la misma magnitud que la corriente de huecos (corriente convencional). Los electrones libres y los huecos reciben a menudo la denominación de portadores debido a que transportan la carga eléctrica. Cuando hay corriente de electrones también existe una corriente de huecos al mismo tiempo y por el mismo camino, pero en sentido contrario.

3 corriente de electrones. corriente de huecos. La mayoría de los sólidos (excepto aquellos que muestran una estructura biológica) tiene una estructura cristalográfica o de cristal, como los semiconductores de silicio y germanio cuyos electrones de valencia están unidos, y que bajo condiciones normales, son malos conductores, al material ser sometido a excitaciones externas las uniones pareadas de electrones se separan y ocurre la conducción eléctrica parcial. El silicio y germanio se caracterizan por ser elementos tetravalentes o sea tener cuatro electrones de valencia en su última capa; estos electrones forman enlaces con los electrones de valencia de los átomos adyacentes produciendo un patrón tridimensional regular llamada red cristalina. Cada átomo comparte sus electrones de valencia hasta quedar químicamente estable, es decir con ocho electrones en su órbita externa. Fig. 5., 6a, 6b. Los semiconductores son intrínseco o puro y es cuando se encuentran en estado de pureza, libre de otra sustancia, son completamente aislantes la electricidad y raramente son usados en electrónica ya que por su estado natural poseen muy pocos electrones libres y necesitan de altas cantidades de energía para transportar corriente, tienen una alta resistencia.

4 4 I 0 R alta puro Son semiconductores extrínsecos, cuando tiene una resistencia baja y por lo tanto circula corriente alta, pueden ser de tipo N o donador y de tipo P o aceptador. R baja impurezas i alta Impurezas Son sustancias llamadas dopantes o contaminantes que se encuentran en su estado natural y son agregados intencionalmente en los cristales de silicio o germanio en cantidades pequeñas y controladas y determinan las características eléctricas. Pueden ser pentavalentes o trivalentes. Impurezas de elementos pentavalentes para la formación de cristal donador Estas sustancias tienen cinco electrones de valencia en su envoltura exterior. Entre los elementos pentavalentes tenemos al arsénico, fósforo, antimonio que producen un exceso de electrones. Cuatro de los cinco electrones de valencia del átomo dopante forman enlaces covalentes con los cuatro átomos vecinos. El electrón libre restante no queda ligado a ningún átomo y es libre de moverse a través del semiconductor (cristal), convirtiéndose en un portador potencial de corriente, o semiconductor tipo N, este semiconductor tiene exceso de electrones libres o carga negativa que huecos (carga positiva o deficiencia de electrones), por ende se les conoce como un semiconductor de portadores mayoritarios de electrones, y portadores minoritarios de huecos.

5 5 Impurezas de elementos trivalentes para la formación de cristal aceptador Estas sustancias tienen tres electrones de valencia en su envoltura exterior. Entre los elementos trivalentes tenemos al aluminio, boro, galio, indio y producen una deficiencia de electrones o exceso de huecos. Los cristales que son dopados o contienen impurezas de elementos trivalentes son semiconductores de tipo P, ya que tres electrones de valencia del átomo dopante forman enlaces covalentes con tres átomos vecinos de silicio o de germanio, en donde el electrón faltante (hueco o carga positiva libre), es capaz de atraer un electrón externo. Un semiconductor tipo P tiene más huecos que electrones por eso a los huecos se les llama portadores mayoritarios y a los electrones libres portadores minoritarios. Uniones PN Los semiconductores tipo n y tipo p, independientes no tiene uso práctico, sólo si se dopan lo suficiente en exceso y se usan como resistencias dependientes de la temperatura. La unión PN es más útil en dispositivos de diodos, transistores, tiristores, CI, microprocesadores, microcontroladores; están basados en la combinación de capas alternadas de materiales tipo n y p. Para construir un dispositivo de unión PN de estado sólido, se sigue el siguiente proceso, que se muestra de manera convencional

6 6 Fig. 11 a Silicio puro Silicio puro + - Fig a Fig. 11 b Silicio Silicio Fig b Impurezas trivalentes Deficiencia de electrones impurezas pentavalentes exceso de electrones Fig. 11 c tipo P tipo N Fig. 11 c impurezas fig. 11 d tipo P tipo N - - Fig d unión PN sin polarizar Barrera de potencial Fig. 11 e en formación tipo P tipo N fig. 11 f + - V D = 0.7 v tipo P tipo N zona de agotamiento pequeña Unión polarización directa + - PN Polarizada tipo P tipo N El potencial de barrera es aproximadamente zona de agotamiento 0.7 v amplio para la unión PN de silicio y de 0.3 v las de germanio. polarización inversa - + fig. 11 g

7 7 Al aplicar un voltaje externo fig. 11 f el efecto de la barrera de potencial se atenúa, y bajo esta condición conocida como polarización directa (progresiva), el polo positivo de la fuente repela a los huecos del material P y el polo negativo repela a los electrones libres del material N, permitiendo que atraviesen la unión y la zona de agotamiento se estrecha y unión presenta una resistencia baja al paso de la corriente comportándose como un conductor. Al aplicar un voltaje externo fig. 11 g, el efecto de la barrera se acentúa, y bajo esta condición, la polarización es inversa, el polo positivo de la fuente atrae a los electrones libres del material tipo N y el polo negativo de la fuente atrae a los huecos del material tipo P y la zona de agotamiento se ensancha por lo que la unión PN presenta una resistencia alta al paso de la corriente y se comporta como un aislante. Ç En la unión PN existe un exceso de electrones libres en el material tipo N y huecos en el material tipo P. Algunos electrones del lado N serán atraídos por algunos huecos del lado P y viceversa, fig. 11 d, hasta formar una barrera de voltaje llamada región de agotamiento en la frontera de los dos materiales, la cual impide el paso de un mayor número de portadores mayoritarios de un lado a otro, fig. 11 e. El potencial de barrera es aproximadamente 0.7 v para la unión PN de silicio y de 0.3 v las de germanio. Al aplicar un voltaje externo fig. 11 f el efecto de la barrera de potencial se atenúa, y bajo esta condición conocida como polarización directa (progresiva), el polo positivo de la fuente repela a los huecos del material P y el polo negativo repela a los electrones libres del material N, permitiendo que atraviesen la unión y la zona de agotamiento se estrecha y unión presenta una resistencia baja al paso de la corriente comportándose como un conductor. Al aplicar un voltaje externo fig. 11 g, el efecto de la barrera se acentúa, y bajo esta condición, la polarización es inversa, el polo positivo de la fuente atrae a los electrones libres del material tipo N y el polo negativo de la fuente atrae a los huecos del material tipo P y la zona de agotamiento se ensancha por lo que la unión PN presenta una resistencia alta al paso de la corriente y se comporta como un aislante. Algunos portadores minoritarios (huecos en el material tipo N y electrones en el material tipo P) logran atravesar la barrera, y circular una corriente de fuga débil.

8 8 Diodos El diodo es el más sencillo de los dispositivos semiconductores, desempeña un papel vital en los sistemas electrónicos, ya que sus características se asemejan a las de un interruptor. Los primeros diodos (rectificador o detector) era un cristal colocado en una vasija con un alambre flexible llamado bigote de gato que hacia contacto con el cristal, fig. 12. Brazo de ajuste cristal Alambre bigote de gato Posteriormente salieron los diodos de punto de contacto, fig. 13; los rectificadores metálicos secos, fig. 14; tubos al vacío y su respectivo símbolo, fig. 15 a, 15 b. Hacia el año 1949 salieron los diodos de unión, que son los que se conocen actualmente. Alambre exterior semiconductor alambre exterior Base metálica punto de contacto metálico diodo de contacto

9 9 símbolo diodo de placas metálicas cátodo filamento símbolo diodos de tubos al vacío El término diodo significa componentes de dos electrodos. Un diodo de estado sólido, se compone de dos partes una N y la otra P, llamada unión PN. La función o trabajo elemental de un diodo es el de comportarse como una válvula o compuerta al paso de la corriente eléctrica. Las terminales de un diodo se denominan ánodo (A), cátodo (K), fig. 16. A K Fig. 16

10 10 Polarización Dependiendo de la forma como el diodo este conectado en un circuito, puede estar polarizado directa o inversamente. Polarización directa Existe cuando se aplica un voltaje positivo a la terminal P con respecto a la terminal N de un diodo. En estas condiciones el diodo presenta una baja resistividad, por lo que conduce una corriente considerable en el sentido convencional y se comporta como un conductor o interruptor, fig. 17 R Sw V s - + I DF V DF Polarización inversa Existe cuando se aplica un voltaje negativo a la terminal P con respecto a la terminal N de un diodo. En estas condiciones el diodo presenta una alta resistividad y prácticamente no conduce corriente, comportándose como un aislante o interruptor abierto, fig. 18 R V S V DR

11 11 Tipos de diodos más conocidos Existen alrededor de 6000 tipos de diodos semiconductores, dependiendo de sus características constructivas particulares que son las que determinan su aplicación, ya sea como rectificadores, reguladores, detectores, mezcladores, interruptores, triplicadores, etc. 1. zener: trabaja en la zona de ruptura, en polarización directa se comporta como diodos rectificadores y en inversa como referencias de voltaje (V z ), usados como reguladores de voltaje en las fuentes. _ Usa notaciones como BZX o 1N _ I F V R V F I R 2. LCD: no emiten luz, depende de la luminosidad ambiental y reflejan la luz. Sus funciones son similares al LED. 3. IRED: emiten luz invisible para el ojo humano. 4. Diodos detectores: llamados diodos de señal, hechos de semiconductor de germanio. Operan a altas frecuencias y señales pequeñas. Separa la componente de baja frecuencia que es la información audible o de audiofrecuencia ( AF ). 5. Laser: emiten luz altamente concentrada y coherente, llamados ILC de luz infrarroja. Usados en CD para leer, en comunicaciones para enviar información a través de cables de fibra óptica, en las lectores de códigos de barras, apuntadores luminosos. 6. Tunel: llamados Esaki, su zona de agotamiento es delgada, útiles como detectores, amplificadores, osciladores, interruptores. Tiene una región de resistencia negativa, la corriente disminuye a medida que aumenta el voltaje. I A B A - B región de resistencia negativa V

12 12 7. Varicap: llamados varactores o diodos de sintonía. Trabajan polarizados inversamente y actúan como capacitores variables controlados por voltaje. Usados en sintonía de TV, radio, osciladores, generadores de FM. Uno de los variantes de los varicap son los SNAP usados en UHF. I F - V I R Schottky: diodos de recuperación rápida. Tiene caída de voltaje directa de aproximadamente 0.25 v. se usan en fuentes de potencia, sistemas digitales y equipos de alta frecuencias. 8. Diodos usados en microondas o diodos de microondas: existen los llamados GUN, PIN, IMPATT, TRAPATT, BARTT, ILSA,APD. 9. Fotodiodos: reciben señales de luz a través de pequeñas aberturas, usados como sensores de luz en fotografía, contadores, receptores de comunicaciones. 10. LED: usados para visualizadores o detectores de luz. Fabricados con arseniro de galio fosfatado (GaAsP), emiten luz al polarizarslo en directa. Su voltaje de ruptura en inversa es aproximadamente de 3 v. La corriente en directa es de aproximadamente entre 20 ma como mínimo y de 100 ma como máximo. Se protegen con resistencia en serie.

13 Rectificadores: tipo normal de diodos usados para convertir el voltaje de corriente a.c en voltaje de c.c. Curvas características de corriente contra voltaje del diodo ideal Al considerar un diodo ideal, para proporcionar una base comparativa con un dispositivo real. El diodo ideal debería comportarse como un interruptor perfecto, presentando una resistencia igual a cero, cuando esta polarizado directamente y una resistencia igual a infinito cuando esta polarizado en inversa, como se muestra en I F V R V F I R Se puede observar que el diodo ideal es un corto circuito o circuito cerrado para i D > 0 y un circuito abierto para i D = 0. En la práctica, sin embargo, los diodos rectificadores presentan una curva como la que se muestra en la fig. 20. I F V R V F I R Fig. 20

14 14 A partir de esta curva, se deducen los siguientes aspectos de cómo trabajan los diodos reales: a.) b.) c.) d.) e.) En polarización directa la conducción empieza cuando el voltaje aplicado externamente supera el voltaje de umbral (V T ) que es de aproximadamente de 0.7 v para el silicio y de 0.3 v para el germanio. La caída de voltaje en polarización directa V F es ligeramente superior al potencial de barrera y depende de I F, donde esta caída de voltaje se llama voltaje de conducción directa. La corriente a través de un diodo polarizado inversamente tiene un valor del orden de los microamper (µ A) y depende del voltaje de polarización inversa aplicado, a dicha corriente se le denomina corriente inversa de fuga. Un diodo polarizado inversamente puede llegar a conducir, cuando el voltaje aplicado alcanza un valor de voltaje de ruptura o voltaje de avalancha. Cuando un diodo entra en la región de avalancha, la corriente inversa de fuga crece y destruye al diodo. Los diodos rectificadores se especifican principalmente por la corriente máxima promedio que puede conducir en polarización directa sin destruirse por sobrecalentamiento y por el voltaje máximo que puede soportar en polarización inversa sin entrar en avalancha. Circuitos equivalentes o modelos gráficos del diodo Un circuito equivalentes es una combinación de elementos elegidos en forma adecuada para la mejor representación de las características reales del dispositivo. Este tipo de circuito equivalente recibe el nombre de modelo grafico del diodo. Los segmentos de la recta en una gráfica no proporcionan una equivalencia exacta al diodo ideal, pero se pueden realizar aproximaciones: cada una de las aproximaciones se analizaran por separado con respectiva curvas y comportamiento, para tener en cuenta el efecto del voltaje de conducción en polarización directa.

15 15 Tercera aproximación Solo existe una dirección de conducción a través del dispositivo, en polarización inversa corresponde a un estado de circuito abierto. Ya que el diodo de silicio alcanza su estado de conducción a los 0.7 v aproximadamente, tanto debe aparecer una batería de oposición (V T ) en el circuito. V T no es una fuente independiente de energía del sistema solo es una representación útil del desajuste horizontal del diodo. La resistencia que se elija es la resistencia promedio, que se puede determinar a partir de los valores numéricos dados en las hojas de especificaciones. I F Polarización inversa polarización directa V R V F I R Segunda aproximación En la mayoría de las aplicaciones, la resistencia promedio es suficientemente pequeña, que puede ignorarse si se compara con otros elementos de la red. Se establece que un diodo es un sistema electrónico en condiciones de cd, tiene una caída de 0.7 v y de 0.3 v para el Si y Ge respectivamente, en conducción sin importar cual es la corriente del diodo. I F V R V F I R

16 16 primera aproximación Los 0.7 v y 0.3 v en comparación con los voltajes aplicados puede a menudo ignorarse, por lo tanto nos quedaría solo el diodo ideal como equivalente para el dispositivo semiconductor. PROCESO DE RECTIFICACIÓN CON DIODOS Un rectificador convierte la corriente alterna en corriente directa pulsante, es más simple y económico generar, transmitir y distribuir corriente alterna que corriente directa, por lo que las empresas de energía eléctrica suministran potencia de ca. Sin embargo, muchas aplicaciones de la energía eléctrica, tales como los circuitos electrónicos, los de carga de baterías de almacenaje, procesos químicos y otros necesitan corriente directa; por ello es necesario rectificar (cambiar) la energía de ca a voltajes y corriente de cd. Un circuito convierte ca en cd pulsante, que luego puede filtrarse (alisarse) en corriente directa. Para hacerlo, el rectificador debe pasar corriente con el mínimo de resistencia en dirección hacia delante y bloquear su flujo en dirección inversa. El diodo, con sus características de corriente unidireccional (en un sentido), es muy adecuado para rectificación. RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA La figura muestra un diodo en serie con una resistencia de carga RL y una fuente de corriente alterna. La fuente Vs suministra una tensión sinusoidal al circuito. Cuando Vs es positiva, se produce una corriente en la dirección positiva Indicada en la figura. Esta corriente se produce cuando el diodo esta polarizado en directa ( diodo actuando como interruptor cerrado o corto circuito) y la magnitud de la corriente está determinada por Í=(Vs-

17 17 Vo)/R, Esta corriente esta definida solo para el semiciclo comprendido entre O y T/2 o semiciclo positivo (0 a 180 ). Cuando Vs es negativa polariza al diodo en inversa (diodo actúa como interruptor abierto o circuito abierto) y no fluye corriente en el circuito. 1=0 La tensión en la carga VL es positiva y consta de una componente de corriente continua cd RECTIFICACIÓN DE ONDA COMPLETA. La figura muestra un circuito rectificador de onda completa que alimenta a una carga resistiva. El circuito consiste en esencia de dos rectificadores de media onda conectados a una única resistencia de carga y alimentados con tensiones de entrada sinusoidales de igual amplitud. Pero opuestas en fase. Durante el semiciclo positivo de Vs el diodo DI actúa como un corto circuito (diodo en conducción) y el diodo 02 actúa como un circuito abierto en ese mismo semiciclo. Durante el semiciclo negativo el diodo D2 conduce y DI actúa como un circuito abierto. En ambos casos la corriente que circula por el circuito es i=2(vs-vo)/rl La ventaja del rectificador de onda completa sobre el rectificador de media onda es que la corriente media en la carga es dos veces mayor. Hay que notar la toma central del transformador. Se ha asumido que la toma central está justamente en el centro y que las tensiones a través de las dos mitades son iguales. Es importante anotar que la tensión inversa de pico a través de los diodos para el (o rectificador de onda completa debe tener un mínimo valor que es del orden del doble de la

18 18 tensión del secundario del transformador. Este valor debe ser así para que no se destruya el diodo por la acción de la tensión de pico inversa. EL PUENTE RECTIFICADOR En la figura se muestra un rectificador del tipo puente. Se observa la necesidad do cuatro diodos, pero ya no se necesita la toma central del transformador. Este puente opera la siguiente manera: Durante el semiciclo positivo de Vs la corriente fluye a través de DI, RL y D3 y durante el semiciclo negativo de Vs la comente pasa por D4, RL Y D2. En ambos casos la corriente fluye por RL en la misma dirección.