Fundamentos de Semiconductores, Diodos y Transistores en Electrónica

Materiales Semiconductores

Los materiales semiconductores representan un estado intermedio entre los conductores y los aislantes. Los más comunes son el silicio, el germanio, el arseniuro de galio y el fosfuro de indio. En su capa más externa (capa de valencia) quedan 4 electrones.

Clasificación de Semiconductores

Materiales Intrínsecos

Es aquel que está formado por un único componente, por ejemplo, el silicio puro.

Materiales Extrínsecos

Para mejorar la conductividad de los materiales intrínsecos, se les añaden pequeñas cantidades de otros elementos denominados impurezas. Según el tipo de impurezas introducidas, tendremos un semiconductor extrínseco:

• Tipo n: Es un semiconductor extrínseco dopado con impurezas de un elemento con 5 electrones en su capa externa (donadores de electrones).
• Tipo p: Es un semiconductor extrínseco dopado con impurezas de un elemento con 3 electrones en su capa externa (aceptores de huecos).

El Diodo Semiconductor

Composición y Unión PN

El diodo está constituido por la unión de dos semiconductores: uno de tipo p y otro de tipo n. Cuando se juntan, se forma una difusión que crea una zona de agotamiento o barrera de potencial en la unión:

• En la zona del semiconductor tipo n, cercana al tipo p, quedan cargas positivas (iones fijos).
• En la zona del semiconductor tipo p, cercana al tipo n, quedan cargas negativas (iones fijos).

Polarización del Diodo

Polarización Directa

Cuando se aplica una tensión externa en polarización directa, los electrones libres que están en la barrera de potencial son atraídos por el terminal positivo de la fuente de alimentación y se desplazan hacia ella, permitiendo la conducción.

Polarización Inversa

Cuando se aplica una tensión externa en polarización inversa:

• Prácticamente no hay electrones libres en la zona p que se puedan desplazar hacia el terminal positivo.
• Al mismo tiempo, en la zona n no hay huecos a los que puedan saltar los electrones.

De este modo, un diodo polarizado inversamente actúa como un aislante.

Funcionamiento Básico

Si usamos el silicio como material base, un diodo polarizado directamente conduce cuando la tensión supera aproximadamente 0,6 V. Un diodo polarizado inversamente no conduce (idealmente).

Diodos Especiales

Diodo Zener

Este diodo trabaja siempre en polaridad inversa. Si el voltaje que lo alimenta sobrepasa un determinado valor (denominado tensión de ruptura), característico de cada diodo, comienza a conducir manteniendo una tensión constante.

Diodo LED (Light Emitting Diode)

Es un diodo que, al ser polarizado directamente, deja pasar intensidad y produce luz. Típicamente trabajan a tensiones de unos 2 V y se utilizan en cuadros de luces, intermitentes, etc.

El Transistor

El transistor es un componente electrónico básico constituido por la unión de 2 diodos con la zona central común.

Composición y Tipos

Está compuesto por 3 zonas formadas por semiconductores extrínsecos, dando lugar a dos tipos principales de transistores (PNP o NPN). Las conexiones son:

• La conexión central se llama Base.
• La conexión de la flecha se llama Emisor.
• La tercera conexión se llama Colector.

Aplicaciones y Configuraciones

Transistor como Relé Electromagnético

Una de las aplicaciones de un transistor es su utilización como relé electromagnético, presentando ventajas e inconvenientes frente a los relés electromecánicos tradicionales.

Par Darlington

Es una unidad formada por 2 transistores conectados en cascada. Sus ventajas incluyen:

• La intensidad de salida es mayor (alta ganancia de corriente).
• Posee un único terminal de base (colector y emisor unidos externamente).
• Se requiere menor espacio en comparación con dos transistores discretos.

Tiristor

El TIRISTOR es un componente electrónico constituido por la unión de semiconductores tipo p y tipo n.

Composición y Funcionamiento

Está compuesto por 4 capas de semiconductores en configuración p-n-p-n. Sus terminales son el ánodo, el cátodo y la compuerta (o gate).

El tiristor se comporta inicialmente como un diodo. Para que conduzca, deberemos aplicarle una intensidad instantánea a través de la compuerta, momento a partir del cual permanece activado hasta que la corriente principal cae por debajo de su corriente de mantenimiento.

Fenómenos Aplicados

Efecto Hall

Siempre que un material semiconductor se encuentre en el interior de un campo magnético y pase a través de él una intensidad perpendicular al campo magnético, se generará en el semiconductor una tensión transversal (tensión Hall). En el automóvil se aplica, por ejemplo, para contar revoluciones.

Pinza Amperimétrica

Es un instrumento de medida que permite conocer la intensidad que circula a través de un conductor. La ventaja principal de la pinza amperimétrica frente al polímetro es el hecho de no tener que desconectar el circuito para realizar la medición, ya que mide el campo magnético generado por la corriente.