Semiconductores
Los semiconductores son sólidos cuya resistividad esta entre la de los conductores
eléctricos y la de los aislantes eléctricos. Los transistores, los diodos de unión, los
diodos Zener, los diodos de túnel, los circuitos integrados y los rectificadores
metálicos son ejemplos de semiconductores. Estos se emplean en computadoras,
receptores de radio, aparatos de televisión, videograbadoras y otros aparatos
electrónicos.
Mediante dispositivos semiconductores se llevan a cabo diversas funciones de
control. Pueden utilizarse como rectificadores, amplificadores, detectores,
osciladores y elementos de conmutación Algunas características propias de los
semiconductores que los convierten en uno de los miembros favoritos de la familia
electrónica son las siguientes.
1. Los semiconductores son sólidos, Por ello, es muy poco probable que vibren.
2. Los semiconductores consumen poca energía e irradian poco calor. No
requieren tiempo de calentamiento y empiezan a funcionar en cuanto se les
suministra energía.
3. Los semiconductores son fuertes y se pueden configurar para que
permanezcan herméticos ante las condiciones del medio externo. Junto con
su tamaño reducido (figura 1-1), estas características permiten que grandes
circuitos ocupen un espacio mínimo.
Figura 1-1 Un transistor.
Materiales semiconductores e impurezas.
El silicio y, en menor grado, el germanio, son los materiales con los que actualmente
se construyen los dispositivos semiconductores. Predomina el silicio, por ser menos
sensible al calor.
Antes de fabricar con ellos materiales semiconductores eficientes, germanio y el silicio
deben someterse a un proceso de alta purificación. En su estado original, la
conductividad de estos semiconductores es muy baja; es decir, su resistividad es
elevada. Para aumentar la conductividad del germanio y del silicio se añaden
cantidades minúsculas de ciertas “impurezas”. La adición de diversas cantidades y
variedades de impurezas, o contaminación, modifica la estructura del enlace
electrónico de los átomos de estos elementos y les proporcionan portadores de
corriente que aumentan su conductividad.
Impurezas tales como el arsénico y el antimonio aumentan la conductividad del silicio
al incrementar la cantidad de portadores (electrones libres) de cargas negativos (N).
Debido a lo anterior, el silicio contaminado con arsénico o con antimonio se conoce
como tipo N. El silicio tipo N contiene algunas cargas positivas (huecos), pero son
minoría y se les conoce como portadores minoritarios. Se puede considerar que el
flujo de corriente en el silicio tipo N se porta por los electrones libres, que son los
portadores mayoritarios.
Impurezas tales como el indio y el galio elevan la conductividad del silicio mediante
el incremento de números de portadores de carga positivos (P, huecos). El silicio
contaminado con indio o galio se conoce como tipo P. El silicio tipo P contiene
algunos electrones libres, pero se trata de portadores minoritarios. Se puede
considerar que el flujo de la corriente en el silicio tipo P se lleva a cabo mediante
huecos, que son portadores mayoritarios.
Los huecos sienten atracción por los electrones libres. Cuando se llegan a “encontrar”
un electrón libre y un hueco, el primero “llena” el hueco y neutraliza su carga. Se dice
que el electrón libre se ha combinado con el hueco Durante este proceso, tanto el
hueco como el electrón libre se pierden como portadores de corriente. Mientras
sucede lo anterior, también se están formando nuevos portadores de corriente en
otras partes del semiconductor.
El movimiento de los portadores de corriente se puede controlar aplicando un voltaje
de una bacteria externa, VAA’ en el semiconductores (figura 1-2). La terminal positiva
de VAA’ repele a los huecos del silicio tipo P que se desplazan hacia la terminal
negativa. Los electrones libres entran al silicio procedentes de la terminal negativa de
VAA’ se desplazan hacia los huecos. Se llevan a cabo combinaciones de electrones
libres y huecos. Al tiempo que se forman estas combinaciones, se liberan más
electrones y huecos móviles en el silicio, a partir de un par de electrón-hueco. Los
electrones liberados se desplazan hacia la terminal positiva de la bacteria y los huecos
hacia la terminal negativa de la bacteria. Continúan las recombinaciones y
liberaciones; e esta manera se mantiene el flujo de corriente constante en el circuito
externo.
Figura 1-2 Movimiento de electrones libres y huecos en un material tipo P.
Funcionamiento de un diodo de unión semiconductor.
Cuando se unen silicios tipo P y tipo N como se muestra en la figura 1-3, se forma
un diodo de unión. Este dispositivo de dos elementos tiene una característica única:
la capacidad para permitir el paso de la corriente solo en una dirección.
Figura 1-3. Diodo Unión.
Al conectar la terminal negativa de la batería al silicio tipo N y la terminal positiva al
silicio P el resultado es un flujo de corriente que se conoce como polarización directa.
Los electrones y los huecos se desplazan, al ser repelidos, en dirección a la unión PN,
en donde se recombinan para formar cargas neutrales y son reemplazados por los
electrones libres (cargas negativas) de la batería. Este movimiento de cargas mantiene
una elevada corriente directa a través del diodo en forma de electrones libres que
pasan del material N, por la unión y el material P, a la terminal positiva de la batería.
Dado que hay flujo de corriente a través de esta conexión, se dice que el diodo tiene
resistencia directa baja.
La conexión para la polarización inversa se muestra en la figura 1-4. La terminal
positiva de la batería atrae a los electrones libres de silicio tipo N, y los saca de la
unión PN. La terminal negativa de la batería atrae a los huecos. Entonces los
portadores de corriente mayoritarios del diodo no producen un flujo de corriente. En
el caso de esta conexión de polarización inversa existe una corriente minúscula en el
diodo. Esta corriente se debe a los portadores minoritarios, es decir los huecos del
tipo N y los electrones de tipo P. En el caso de los portadores minoritarios, la
polaridad de la batería es correcta y permite el flujo de corriente. Como resultado de
los portadores minoritarios, solo se obtiene un flujo de unos microampers. Lo
anterior se indica mediante las flechas punteadas de la figura 1-4. La conexión de
polarización inversa produce una resistencia elevada en el diodo.
Figura 1-4. Efecto de la polarización inversa en u diodo de unión.
La figura 1-5 es el símbolo de circuito de un diodo de semiconductor. La terminal
marcado como “ánodo” (representada por la punta de flecha) está conectada con el
material tipo P, y la que está señalada como “cátodo” está conectada al material tipo
N. Para que haya flujo de corriente en este diodo, terminal en el ánodo y la terminal
negativa en el cátodo en una configuración de polarización directa.
Figura 1-5. Símbolo del circuito que representa un diodo semiconductor.
Característica de voltaje y corriente en directa.
La característica de voltaje y corriente (características volt-amper) se representa en
una gráfica que muestra la variación de la corriente de dicho diodo en relación con el
voltaje aplicado. Para determinar lo anterior de manera experimental, se mide la
corriente del diodo correspondiente a una cantidad sucesiva de voltajes cada vez más
mayores y se traza una gráfica de la corriente en función del voltaje. El estudiante
observara que hay muy poco flujo de corriente en el diodo cuando el nivel de voltaje
aplicado es bajo. Por lo tanto, para una polarización directa menor a los 0.7 volts (v),
el diodo de silicio atrae poca corriente. En el caso de voltaje de polarización directa
iguales o mayores que 0.7 V, el diodo se activa y permite el flujo de corriente.
Asimismo, para valores mayores de 0.7 V, un pequeño aumento del voltaje de
polarización directa da por resultado un incremento considerable en la corriente del
diodo. En la figura 1-6 se muestra las características volt-corriente en polarización
directa típicas de un diodo de silicio.
Figura 1-6 Características volt-amper en polarización directa de un diodo de
unión de silicio.
El voltaje de activación en polarización directa de los diodos de silicio tiene un valor
característico de 0.7 V. En el caso de los diodos de germanio es de 0.3 V.
Cuando el diodo tiene polarización inversa, la pequeña corriente producida por los
portadores minoritarios permanece relativamente constante, es decir, independiente
del voltaje de polarización, hasta que se llega a cierto valor de voltaje. Después de este
nivel seguro de polarización inversa se produce un fenómeno conocido como
“ruptura de avalancha”, cuando se presenta una corriente de sobre carga fuerte, la
cual puede destruir el diodo. Por ello, es necesario que este funcione dentro de los
límites seguros, normalmente especificados por el fabricante como voltaje directo
máximo (VFM) y voltaje inverso máximo (VRM). También se especifica la corriente
directa pico (IFM).
Método para probar un diodo semiconductor con un óhmetro.
La verificación de la resistencia es un método algo burdo para probar el
funcionamiento de un diodo semiconductor. Como se recordara, la
polaridad de las terminales de la batería de un óhmetro aparece en las
puntas de conexión. En la figura 1-7, la punta A es positiva y la punta B es
negativa. Al probar con un óhmetro un diodo cuyo funcionamiento es
normal se encuentra que la resistencia inversa es elevada. Por lo tanto si la
punta de conexión positiva del óhmetro (A en la figura 1-7) se conecta al
ánodo del diodo y la punta de conexión negativa (B) al cátodo, el diodo
estará polarizado directamente. La corriente fluirá y el diodo medirá una
resistencia baja. Por otra parte, si se invierten las puntas de conexión del
óhmetro, el diodo estará polarizado inversamente. Fluye poca corriente y
el valor de la resistencia del diodo es elevado. Si un diodo semiconductor
presenta una resistencia directa muy baja y una resistencia inversa baja, es
probable que este dañado (fundido). Por otra parte, una resistencia directa
extraordinariamente alta o infinita, indica que el diodo está abierto.
Figura 1-7. Polaridad de las puntas de conexión de un óhmetro.
Como identificar el ánodo y el cátodo de un diodo.
Por lo general, el cátodo de un diodo se indica mediante una banda circular. Si el
diodo no está marcado, es sencillo determinar cuál es el ánodo y cuál es el cátodo con
una verificación en la resistencia. Primero se determina la polaridad de las puntas de
conexión del óhmetro con un voltímetro conectado a las terminales del óhmetro. A
continuación se determina la posición de las puntas de conexión del óhmetro que
mide la resistencia directa del diodo. En esta posición, la punta de conexión positiva
del óhmetro se conecta con el ánodo y la negativa con el cátodo.
Función ohms de bajo voltaje de un óhmetro.
La batería de un óhmetro no electrónico, como el de la figura 1-7, es de 1.5 V o más.
Por lo tanto, es capaz de polarizar directamente un diodo de unión de silicio con un
valor mayor que los 0.7 V necesarios para la conducción. De manera similar, puede
polarizar un diodo de unión de germanio a más de los 0.3 V necesarios para la
conducción. Por esto es posible llevar a cabo pruebas en diodos semiconductores con
un óhmetro. Sin embargo, en la localización de fallas de algunos circuitos
semiconductores se utilizan óhmetros electrónicos de baja potencia (LP) en los cuales
el voltaje de punta de conexión es menor a 0.7, incluso 0.3 V. La función
correspondiente a ohms de baja potencia (LPΩ) de este tipo de óhmetro no sirve
para medir la resistencia directa de un diodo, ni puede identificar el ánodo o el cátodo
de un diodo. Por fortuna, el fabricante proporciona, además de la función ohms de
baja potencia, una función para ohms normales. Las pruebas de resistencia de un
diodo semiconductor se llevan a cabo mediante la función ohms normales del
óhmetro.
Primera aproximación.
¿Qué hace un diodo? Conduce bien la corriente en dirección directa y mal en la
dirección inversa. En esencia, idealmente un diodo funciona como conductor
perfecto (voltaje cero) cuando tiene polarización directa y como un aislante perfecto
(corriente cero) si tiene polarización inversa (figura 1-8). A esta primera aproximación
de un diodo se le conoce como diodo ideal. Representa una manera sencilla y rápida
de analizar los circuitos de diodos.
Figura 1-8. Diodo ideal 1) grafica; 2) polarización directa; 3) polarización
inversa.
Por ejemplo, el diodo de la figura 1-9a tiene polarización directa. En una primera
aproximación actúa como un corto circuito. Por lo tanto, la corriente que pasa por el
diodo es
R1
R1
2kΩ
2%
2kΩ
2%
V1
10 V
D1
V1
10 V
D1
(a)
(b)
Figura 1-9. Primera aproximación: a) I = 5 mA; b) I = 0 mA
I=
10 𝑉
2 𝐾Ω
= 5 𝑚𝐴
(1.1a)
Por otra parte, el diodo de la (figura 1-9b) tiene polarización inversa. Idealmente se
trata de un circuito abierto, por lo que la corriente que circula por él es de 0.
Segunda aproximación.
Para que un diodo de silicio conduzca realmente bien es necesario que haya por lo
menos 0.7 V cuando la fuente de voltaje es grande, 0.7 V es una cantidad muy
pequeña como para tener algún efecto. Pero si la fuente de voltaje no es tan grande,
entonces hay que tomar en cuenta los 0.7 V.
En la (figura 1-1a) se muestra la gráfica correspondiente a la segunda aproximación.
Se puede observar que la corriente no fluye sino hasta que aparecen 0.7 V en el diodo.
A partir de este momento el diodo se activa. Sin importar la corriente directa, solo se
permite una caída de voltaje de 0.7 V en el diodo de silicio. (Para los diodos de
germanio, utilice un valor de 0.3 V). Por cierto, el valor de 0.7 V se conoce como
voltaje de barrera o de “codo”.
La figura 1-1b) es el circuito equivalente de la segunda aproximación. En este caso
el diodo debe considerarse como un interruptor conectado en serie con una batería
de 0.7 V. Si el voltaje de la fuente que alimenta al diodo rebasa al voltaje de
contratensión, se cierra el interruptor y el voltaje del diodo es igual a 0.7 V.
Como ejemplo se utilizara la segunda aproximación para el caso del diodo de la figura
1-9a). El voltaje de la fuente es suficiente para rebasar el voltaje de codo. Por lo tanto,
el diodo tiene polarización directa y la corriente es igual a
I=
10 𝑉−0.7 𝑉
2 𝐾Ω
= 4.65 𝑚𝐴
(1.2)
Si la polarización del diodo es inversa, como en la figura 1-9b), la segunda
aproximación sigue dando un valor de corriente igual a cero.
(a)
(b)
Figura 1-10. Segunda aproximación: a) grafica; b) circuito equivalente de la
polarización directa.
Resistencia masiva.
Para valores superiores al voltaje de codo, la corriente del diodo aumente con rapidez;
un pequeño aumento del voltaje del diodo provoca un aumento considerable en la
corriente del diodo. Una vez superado el voltaje de contratensión, lo único que se
opone a la corriente del diodo es la resistencia de las regiones P y N, representadas
por rP y rN en la figura 1-11. La suma de estas resistencias se llama resistencias másica
del diodo. Usando literales I = 𝑟𝐵 = 𝑟𝑃 + 𝑟𝑁
El valor característico de rB varía entre 1 y 25 ohms (Ω). El cálculo de la resistencia
masiva de un diodo de silicio se realiza de la siguiente manera. En la hoja de
especificaciones del fabricante por lo general se indica el valor de la corriente directa
IF correspondiente a 1 V. en el caso del diodo de silicio los primeros 0.7 V son
necesarios para rebasar el voltaje de barrera; los 0.3 volts restantes se consumen en
la resistencia masiva del diodo. Por tanto, para calcular la resistencia masiva se tiene
rB =
0.3 𝑉
(1.4)
IF
Donde IF es la corriente directa para 1 V. por ejemplo, el 1N456 es un diodo de silicio
cuya IF es iguala 40 mA a 1 V. su resistencia masiva es igual a
rB =
0.3 𝑉
40 𝑚𝐴
= 7.5 Ω
(1.5)
Tercera aproximación.
En la tercera aproximación de un diodo se incluye la resistencia masiva, rB. En la
figura 1-12a) se muestra el efecto de rB. Una vez activado el diodo de silicio, la
corriente produce un voltaje en rB. Cuanto mayor sea la corriente, mayor será voltaje.
El circuito equivalente de la tercera aproximación es un interruptor conectado en
serie con una batería de 0.7 V y una resistencia de valor rB (figura 1-12b). Una vez
que en el circuito externo se rebasa el potencial de contratensión, se obliga el paso de
la corriente a través de la resistencia másica.
Como ejemplo de la tercera aproximación suponga que se usa un 1N456 como el de
la figura 1-9a).dado que tiene una resistencia másica de 7.5 Ω, el equivalente de la
figura 1-9a) puede ser la figura 1-12c). En este circuito la corriente es
I=
10 𝑉−0.7 𝑉
2 𝐾Ω+7.5 Ω
=
9.3 𝑉
2007.5 Ω
(1.6)
Se ha analizado el mismo circuito (figura 1-9a) utilizando tres aproximaciones del
diodo. Los resultados obtenidos son:
I = 5 mA
(ideal)
I = 4.65 mA
(segunda)
I = 4.63 mA
(tercera)
(1.7)
¿Cuál de estas aproximaciones debe utilizar usted? Ello dependerá del circuito en
particular que se analice y del propósito del análisis.
Se trata de un análisis preliminar, empiece por la aproximación del diodo ideal. Esta
dará una idea rápida del funcionamiento del circuito. Si el valor de 0.7 V es
significativo en relación con el voltaje de la fuente, utilice la segunda aproximación.
Y si la resistencia másica es significativa en relación con la resistencia del circuito, use
la tercera aproximación.
Práctica.
Materiales.
+Fuente de alimentación
+Multímetro
+Resistencias 250 Ω
+Diodo de silicio
+Diodo de germanio
+Diodo LED
+Protoboard
Polarización del diodo.
1. Identifique los extremos del ánodo y cátodo de un diodo de silicio y arme
el circuito.
2. Ajuste la salida de la fuente de cd variable.
3. Invierta el diodo y mida, anote los resultados obtenidos en la tabla 1-1.
4. Mida el diodo en polarización inversa, anote los resultados obtenidos.
5. Quite el diodo del circuito y mida su resistencia.
6. Hacer estos procedimientos para los tres diodos: silicio, germanio y diodo
led.
Figura 2.1- Datos recolectaos en las mediciones de Voltaje y Corriente de los
diodos.
ID
DIODOS
0.014
0.012
0.012
0.011
0.01
0.009
0.0080.008
0.008
0.011
0.009
0.008
0.0070.007
0.006
0.006
0.005
0.0040.004
0.004
0.0030.003
0.0010.001
0
0
0
0
0.004
0.003
0.0020.002
0.002
0.002
0
0
0
0
0.0070.007
0.006
0.0050.005
LED
SILICIO
GERMANIO
0.004
0.003
0.002
0.0010.0010.001
0
0.006
0.005
0.012
0.001
0
0
0
VI
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 2 2.3 2.6 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4
Figura 2.2- Gráfica realizada con los datos de la tabla de la figura 2.1