Diodos, transistores, tiristores, triacs, diacs y FET: componentes semiconductores

Fundamentos de Componentes Electrónicos Semiconductores

En el estudio de la electrónica, es fundamental comprender las propiedades de los materiales y el funcionamiento de los dispositivos semiconductores clave. A continuación, se detallan conceptos esenciales y el comportamiento de componentes como diodos, transistores, tiristores, triacs, diacs y transistores de efecto de campo (FET).

Clasificación de Materiales Conductores

• Conductores: Son átomos inestables que pierden fácilmente el electrón de su última órbita, permitiendo el flujo de corriente eléctrica.
• Aislantes: Son materiales que no permiten el paso o intercambio de electrones periféricos. Sus átomos son normalmente estables, impidiendo la conducción eléctrica.
• Semiconductores: Poseen una resistencia intermedia al paso de electrones, situándose entre conductores y aislantes. Una característica importante es la de poseer 4 electrones en su última órbita, lo que les confiere propiedades únicas para la fabricación de dispositivos electrónicos.

El Diodo

El diodo es un componente electrónico semiconductor que permite el flujo de corriente en una sola dirección.

• Tensión Umbral: Es la tensión mínima que necesita un diodo para empezar a conducir corriente eléctrica de manera significativa.

El Transistor

El transistor es un dispositivo semiconductor utilizado para amplificar o conmutar señales electrónicas y potencia eléctrica.

Polarización del Transistor

La polarización de un transistor se refiere a la aplicación de voltajes a sus terminales (emisor, base, colector) para establecer un punto de operación deseado. Para su funcionamiento en modo activo (amplificación), la unión base-emisor se polariza directamente y la unión base-colector se polariza inversamente.

Zonas de Trabajo del Transistor

El transistor puede operar en tres zonas principales, cada una con un comportamiento distinto:

1. Zona de Saturación: En esta zona, el transistor se comporta como un interruptor cerrado, permitiendo el paso máximo de corriente.
   • I_C ≈ V_CC / R_C
   • V_CE ≈ 0V
2. Zona Activa: Se encuentra entre la zona de corte y la zona de saturación. En esta región, el transistor actúa como un amplificador, donde una pequeña variación en la corriente de base produce una gran variación en la corriente de colector.
   • V_CE ≈ V_CC / 2 (Valor típico para un punto de operación central)
   • I_C ≈ V_CC / (2 * R_C) (Valor típico para un punto de operación central)
3. Zona de Corte: En esta zona, el transistor se comporta como un interruptor abierto, bloqueando el paso de corriente.
   • I_C ≈ 0
   • V_CE ≈ V_CC

Factor de Amplificación (Beta)

Beta (β): Es el factor de amplificación de corriente de un transistor bipolar, que relaciona la corriente de colector con la corriente de base (β = I_C / I_B).

El Tiristor (SCR)

El tiristor, también conocido como Rectificador Controlado de Silicio (SCR), es un dispositivo semiconductor de cuatro capas que actúa como un interruptor unidireccional controlado.

Funcionamiento del Tiristor

Internamente, el tiristor está formado por dos transistores acoplados. Sin aplicar ninguna tensión en la puerta (gate), el tiristor no conduce y se comporta como un interruptor abierto. Para que el tiristor comience a conducir, es necesario aplicar una tensión positiva en la puerta, típicamente de unos 5V. Dicho impulso satura los dos transistores internos y el tiristor se comporta como un interruptor cerrado.

En este momento, la tensión ánodo-cátodo (V_AK) es muy pequeña y se denomina tensión de mantenimiento, ya que mantiene el tiristor en saturación. Para que el tiristor deje de conducir, es necesario bajar o anular la tensión V_AK por debajo de la tensión de mantenimiento, o reducir la corriente ánodo-cátodo por debajo de la corriente de mantenimiento.

Funcionamiento en Corriente Alterna (SCR)

Durante los semiciclos negativos de una señal de corriente alterna, el tiristor no conducirá, ya que está polarizado inversamente. Cuando la señal alterna pasa por cero, V_KA es inferior a la tensión de mantenimiento y el tiristor se desactiva (se "desceba"), por lo que se dice que es un elemento unidireccional.

Dependiendo del instante en que se aplique el impulso de disparo a la puerta, se controlará la porción de la señal de entrada que se permite pasar. Por esta capacidad de control, el tiristor se conoce como rectificador controlado.

El Triac

El Triac (Triode for Alternating Current) es un dispositivo semiconductor bidireccional que puede conducir corriente en ambas direcciones.

Constitución Interna del Triac

El triac está formado por dos tiristores en paralelo y en oposición. Es un elemento bidireccional, lo que significa que admite polarizaciones en ambos sentidos.

Funcionamiento del Triac

Cuando se aplica una polaridad determinada al circuito, si la tensión en la puerta es suficiente, el triac comenzará a conducir debido a que uno de los dos tiristores internos se polariza en directo con dicha polaridad. Al ser bidireccional, puede ser disparado en ambos semiciclos de una señal alterna.

El Diac

El Diac (Diode for Alternating Current) es un diodo bidireccional que se utiliza principalmente para disparar tiristores y triacs.

Funcionamiento del Diac

Está compuesto por dos diodos Shockley conectados en antiparalelo. De tal manera que cuando se aplica una tensión de una polaridad determinada y esta supera su tensión de ruptura, conduce uno de los diodos. Si se aplica la polaridad opuesta y se supera la tensión de ruptura, conducirá el otro. Es un elemento bidireccional.

Transistor de Efecto de Campo (FET)

El Transistor de Efecto de Campo (FET) es un tipo de transistor que utiliza un campo eléctrico para controlar la conductividad de un canal, a diferencia de los transistores bipolares que usan corriente.

Características Clave del FET

• La resistencia de entrada al FET es mucho más elevada que la de un transistor bipolar, ya que la única corriente que circula por la puerta (gate) es la inversa de fuga y es del orden de nanoamperios.
• La ganancia de tensión de un FET es mucho menor que la de un transistor bipolar, ya que las variaciones de V_GS (tensión puerta-fuente), para conseguir la máxima variación de I_D (corriente de drenador) y, por tanto, de V_DS (tensión drenador-fuente), han de ser del orden de algunos voltios.

Zonas de Operación del FET

Se pueden distinguir tres zonas principales de operación para un FET:

• Zona Óhmica (o Triodo): Donde el FET se comporta como una resistencia controlada por V_GS. Corresponde a la región de baja V_DS.
• Zona de Saturación: (Porción horizontal de la característica I_D vs V_DS). En esta zona, el FET actúa como un amplificador de corriente constante, donde I_D es relativamente independiente de V_DS.
• Zona de Corte: Cuando V_GS es menor o igual a la tensión de pinch-off (V_P) o tensión de umbral (V_TH para MOSFETs), la corriente de drenador es prácticamente cero.