Fundamentos del Diodo y Transistor: Funcionamiento, Polarización y Aplicaciones

El Diodo: Componente Esencial en Electrónica

Un diodo es un componente electrónico que consta de dos semiconductores, uno de tipo P y otro de tipo N. En los semiconductores tipo P, existen más elementos con 3 electrones en su última capa, lo que genera más huecos que electrones. En los de tipo N, se utilizan elementos con 5 electrones, por lo que hay más cargas negativas (electrones). En una unión PN, los huecos y los electrones se neutralizan en una región próxima a la unión, creando una barrera de potencial que, en principio, impide el flujo de corriente.

Polarización del Diodo: Directa e Inversa

Un diodo se polariza conectándolo a una fuente de tensión. Existen dos tipos principales de polarización:

• Polarización Directa: Se conecta el polo positivo de la fuente al cristal P y el negativo al N. La barrera de potencial disminuye, permitiendo la circulación de electrones.
• Polarización Inversa: Se conecta el polo positivo al cristal N y el negativo al P. Las cargas se separan, ensanchando la barrera de potencial e impidiendo el flujo de electrones.

Diodo Ideal vs. Diodo Real

• Diodo Ideal: En polarización directa, se comporta como un cortocircuito (conduce toda la corriente). En polarización inversa, se comporta como un circuito abierto (no conduce corriente).
• Diodo Real: En polarización directa, la corriente no fluye hasta que la tensión alcanza un valor umbral (U_j), que depende del material (aproximadamente 0.7V para el silicio). Además, existe una pequeña resistencia interna. En polarización inversa, la corriente es casi cero, aunque existe una pequeña corriente de fuga. Si se aumenta mucho el voltaje inverso, esta corriente puede aumentar, llegando a destruir el diodo. La tensión de ruptura (U_r) suele ser de unos 50V.

Rectificadores: Conversión de CA a CC

La rectificación es el proceso de obtener una señal continua a partir de una señal alterna, generalmente obtenida a la salida de un transformador. Se utilizan diodos para rectificar, ya que permiten el paso de la corriente en un sentido (polarización directa) y la bloquean en el sentido opuesto (polarización inversa).

• Rectificador de Media Onda: Utiliza un solo diodo.
• Rectificador de Onda Completa: El más utilizado es el puente de diodos (o puente de Graetz), formado por cuatro diodos. Durante cada semiperiodo, conducen dos de ellos, por lo que la salida siempre es positiva. En el semiperiodo positivo, conducen D1 y D3; en el negativo, D2 y D4.

El Transistor: Amplificación y Conmutación

El transistor es un componente formado por la unión de tres cristales semiconductores dopados, con tres terminales. Puede construirse con dos secuencias: NPN y PNP. Los terminales son el emisor, la base y el colector. La base, la zona central, es la menos gruesa y controla el paso de la corriente. El emisor proporciona los portadores de carga, y el colector recoge la mayor parte de estos.

Polarización del Transistor

La polarización se realiza utilizando elementos externos (resistencias y fuentes de tensión) que permiten el paso de corrientes, provocando distintos valores de tensiones. Se pueden extraer distintas expresiones para analizar el comportamiento del transistor.

Curvas Características del Transistor

La curva más utilizada es la curva de salida, que muestra la variación de la corriente de colector (I_C) cuando varía la tensión colector-emisor (U_CE), manteniendo constante la corriente de base (I_B). Cada curva corresponde a un valor diferente de I_B. El transistor puede operar en cualquier punto de estas curvas. Este punto se denomina "punto de trabajo" (Q) y está definido por I_C, I_B y U_CE, cuyos valores dependen del circuito.

Zonas de Operación del Transistor

• Zona de Corte o Bloqueo: I_C es tan pequeña que se puede despreciar. El transistor se comporta como un interruptor abierto.
• Zona Activa o Lineal: Para pequeños aumentos de I_B, se producen grandes aumentos de I_C. Se cumple que: 0.2V < U_CE < U_CEmax y U_BE = 0.7V (para transistores de silicio).
• Zona de Saturación: Un aumento de I_B no provoca un aumento de I_C. El transistor se comporta como un interruptor cerrado. Se cumple que: I_C < β * I_B, U_CE ≈ 0.2V y U_BE ≈ 0.7V.