Unidad 4 Semiconductores

7/23/2019 Unidad 4 Semiconductores

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4.1

SEMICONDUCTORES

Un semiconductor electrónico es un dispositivo capaz de controlarlas corrientes eléctricas o modificarlas para obtener un beneficio.

Los primeros semiconductores electrónicos fueron las válvulas devacío o bulbos y el primero que existió fue el bulbo tríodo diseñado

por el doctor De Forest en 1906, a partir de ahí nació la electrónicacomo tal.

Con el paso del tiempo en 1947 se obtuvo el primer semiconductor alestado sólido conocido como transistor y a partir de este laelectrónica evoluciono aún más, pues actualmente se tienensemiconductores en paquetes integrados y de un tamaño sumamentepequeño.

“Un semiconductor se caracteriza por dejar pasar toda la corriente,

no dejar pasar la corriente o dejar pasar cierta cantidad de

corriente”.

-BULBO-

Los efectos que un bulbo tríodo le produce a una señal eléctrica sonsimilares a los efectos de los transistores pero la diferencias esque el transistor consume mucho menos energía.

El primer bulbo fue el bulbo Diodo el cual contaba con filamentos,cátodo y una placa. Lo filamentos calentaban el cátodo para poderliberar los electrones y saltaran hacía la placa.

Fig 4.1 Bulbo Diodo

El doctor De Forest agrego al bulbo diodo una reja llamada reja grilla o reja de control, logrando

controlar así el paso de electrones y a esta modificación se le llamo bulbo tríodo.



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Fig 4.2 Bulbo tríodo

-CURVA CARACTERÍSTICA O DE RESPUESTA DEL TRÍODO-



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4.2

SEMICONDUCTORES AL ESTADO SÓLIDO

Estos dispositivos son creados por dopaje pues se mezclan ciertosmateriales conductores con materiales aislantes dando lugar a unsemiconductor.

Prácticamente todos los dispositivos al estado sólido están formados

por la unión de dos semiconductores básicos conocidos comosemiconductor “N (-)” y semiconductor “P (+)”.

-SEMICONDUCTOR N-

Los aislantes que se usan para este fin son cristales de germanio ysilicio los cuales tienen 4 electrones en su última orbita ligadosfuertemente entre sí. Los conductores que usa este semiconductorpueden ser Arsénico o antimonio que tienen 5 electrones libres en suórbita de valencia. Al hacer la fusión, 4 electrones del conductorse ligan con el cristal, quedando el quinto electrón flotando,precisamente este electrón conocido como portador negativo es el que

realiza la conducción en el semiconductor.

Fig 4.3 Orbitas de valencia de cristales y conductores para el semiconductor N

-SEMICONDUCTOR P-

Para este semiconductor también se usa germanio o silicio mezcladoscon conductores trivalentes como son el Galio o Aluminio, estosmateriales roban o aceptan un electrón del cristal al realizarse lafusión quedando huecos en el cristal que serán portadores positivosen donde se realizara la conducción.

Fig 4.4 Orbitas de valencia de cristales y conductores para el semiconductor P



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La conducción en el semiconductor N se da debido a los electrones libres los cuales al aplicarles

corriente fluyen, en cambio el semiconductor P produce la conducción debido a los huecos que hay

por los cuales fluyen los electrones aplicados al conectar la fuente.

Fig 4.5 Conducción en semiconductores N y P

4.3

DISPOSITIVOS SIMPLES DE SEMI-CONDUCCIÓN

Estos componentes son básicamente resistencias semiconductoras quepueden variar su resistencia interna si son afectadas por voltaje,luz o calor, como son:

-TERMISTOR-

Es un semiconductor que modifica su oposición a la corriente si es

afectado por calor y lo podemos encontrar en dos tipos:

a) Termistor NTC

(Coeficiente Negativo de temperatura). Secaracteriza por que en estado frio su resistencia es alta peroal calentarse su resistencia disminuye proporcional al calor.

b) Termistor PTC

(Coeficiente Positivo de Temperatura). Conocidotambién como “Posistor”, se caracteriza porque en estado friosu resistencia es baja y aumenta en forma proporcional al calor.



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-VARISTOR-

El varistor o VDR (Resistencia dependiente de voltaje) se caracterizaporque su resistencia interna disminuye al aumentar el voltaje quelo polariza y es utilizado como amortiguador de pico o bien comoprotector contra elevaciones de voltaje bruscas.

Fig 4.6 Uso del varistor. Al existir una elevación de voltaje, el varistorDisminuye su resistencia dejando paras la corriente por el logrando

Un corto circuito y volando el fusible, protegiendo así el dispositivo.

-FOTORRESISTENCIA-

Este componente se identifica con las siglas LDR (ResistenciaDependiente de Luz). Se caracteriza por que su resistencia disminuyeen forma proporcional a la luz que la afecte. Su aplicación es comodetector lumínico en sensores de alarma, contadores de evenos, etc.Normalmente se puede adquirir por ohms en total oscuridad (1M, 2M,etc…).

Fig 4.7 Aplicación de Fotorresistencia



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4.4

DIODOS SEMICONDUCTORES

El diodo semiconductor está constituido fundamentalmente por unaunión P-N, añadiéndole un terminal de conexión a cada uno de loscontactos metálicos de sus extremos y una cápsula que aloja todoel conjunto, dejando al exterior los terminales que corresponden

al ánodo (zona P) y al cátodo (Zona N)

El diodo deja circular corriente a través suyo cuando se conectael polo positivo de la batería al ánodo, y el negativo al cátodo,y se opone al paso de la misma si se realiza la conexión opuesta.

Fig 4.8 Diodo Fig.4.9 Diodo Rectificador

-DIODO RECTIFICADOR-

Los diodos rectificadores son aquellos dispositivos semiconductoresque solo conducen en polarización directa (arriba de 0.7 V) y en

polarización inversa no conducen. Estas características son las quepermite a este tipo de diodo rectificar una señal.Los hay de varias capacidades en cuanto al manejo de corriente y elvoltaje en inverso que pueden soportar.

Su aplicación principal es como rectificador, sin embargo, se puedeutilizar para amortiguar picos de tensión, protector contrainversión de polaridad, etc.

Fig 4.10 Rectificadores de media onda, onda completa (puente de diodos) y onda completa (dos diodos y

derivación central en el transformador



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Fig 4.11. Circuito de protección contra inversión de voltaje

-DIODO DE CONTACTO-

Los diodos detectores también denominados diodos de señal o decontacto puntual, están hechos de germanio y se caracterizan porposeer una unión PN muy diminuta. Esto le permite operar a muyaltas frecuencias y con señales pequeñas. Se emplea por ejemplo,en receptores de radio para separar la componente de alta

frecuencia (portadora) de la componente de baja frecuencia(información audible). Esta operación se denomina detección.

Fig 4.12 Diodo de contacto o de señal (Germanio)

-DIODO ZENER-

Este diodo es de características especiales pues puede conducir en sentido inverso y generar una

caída de tensión variable dependiendo del voltaje a que este ajustado. Normalmente se usa comoregulador o estabilizador de voltaje y debe estar conectado en serie formando parte de un divisor

de tensión.

Fig 4.13 Diodo Zener. Físicamente es similar a un diodo de germanio, se puede distinguir por su matrícula

o realizando una prueba.

Fig 4.14 aplicación de un Diodo Zener como regulador



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-DIODO VARICAP-

Este diodo internamente genera una capacidad eléctrica la cual puede variar si se modifica el

voltaje inverso que lo polariza. Normalmente se utiliza en los circuitos de recepción de ondas

electromagnéticas o bien en circuitos de tiempo que son de programación electrónica.

Fig 4.15 Diodo Varicap.

Fig 4.16. Polarización inversa Alta (Baja capacidad) y Polarización inversa Baja (alta capacidad)

A continuación podemos observar una común aplicación del diodo varicap.

Fig 4.17 Recepción para señales. Conforme se varía el voltaje con el potenciómetro varia la capacidad del

diodo varicap permitiendo resonar a la frecuencia adecuada. Por ejemplo los canales de un televisor

antiguo.



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-DIODOS ÓPTICOS-

Prácticamente existen 2 tipos de diodos ópticos, uno se caracterizaporque suministra luz y otro porque recibe luz y son utilizados ensistemas de alarma o circuitos detectores de presencia o contadoresde eventos.

a)

FOTODIODO.-

Este componente tiene una respuesta de conducciónsolo cuando recibe luz, se polariza en forma inversa ynormalmente funciona con luz infrarroja.

b)

LED Light Emitter Diode).- Se caracteriza porque en junturadonde se pueden observar los fotones y la luz que proporcionanpuede ser visible o infrarroja según sean las característicasde fabricación.Un diodo LED de luz visible normalmente trabaja con 3v decorriente continua, en cambio los de luz infrarroja trabajancon 1.5v y debe ser corriente variable.

Las funciones más comunes son como opto-acopladores donde estánimplicados ambos diodos, pero el LED de luz visible tiene unaaplicación muy variada.

-OPTOACOPLADORES-

Fig 4.18 OPTOACOPLADORES



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4.5

TIRISTORES

Estos componentes son dispositivos de disparo, es decir, para quepuedan funcionar en necesario aplicar un pequeño pulso de disparo enun electrodo de control. Los tiristores más comunes son:

a) SCR.-

El Rectificador controlado por silicio es un diodo con

un electrodo adicional mediante el cual se hace conducir y fuediseñado para actuar como interruptor electrónico en circuitosde corriente directa. El más común es el SCR de disparopositivo, pero también existe el SCR de disparo negativoconocido como

PUT

(Tiristor de unión programable).

Fig 4.19 Unión de semiconductores de un SCR

b)

DIAC.- El diodo para corriente alterna, son básicamente dosdiodos encontrados entre sí, conducirá solamente hasta rebasaren voltaje de disparo para el que fue diseñado; estoscomponentes normalmente se usan para acoplar el voltaje dedisparo que requieren los SCR´s y TRIAC´s para funcionar.

Fig 4.20 Unión de semiconductores de un DIAC

PUTGTO



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c)

TRIAC.- El tríodo para corriente alterna es un tiristor que seutiliza como interruptor en circuitos de corriente alternasiempre y cuando reciban un pulso de disparo en su electrodode control. Prácticamente un TRIAC equivale a dos SCR´sencontrados utilizando el mismo electrodo de control.

Fig 4.21 Unión de semiconductores de un TRIAC

4.6

TRANSISTORES

Los transistores fueron diseñados para lograr controlar corrienteseléctricas sin necesidad de las voluminosas válvulas de vacío. Losprimeros transistores que actualmente siguen siendo muy usados sonlos transistores bipolares (NPN y PNP) y después de ellos aparecieronlos transistores FET, MOSFET, Unijuntura (UJT), Darlington,Fototransistores y los IGBT.

-TRANSISTORES BIPOLARES-

Estos fueron los primeros transistores y están formados por 3 trozosde semiconductores y para funcionar necesitan polarizarse con dospolarizaciones, de ahí el nombre bipolar.

a) TRANSISTOR “NPN”

- Está formado por 3 trozos semiconductores,2 negativos y 1 positivo. Teóricamente se forman 2 diodos ensu estructura, el diodo de entrada formado por emisor y base yel diodo de salida formado por base y colector.Para que este componente conduzca debe tener polarizacióndirecta en su diodo de entrad e inversa en su diodo de salida.

Fig 4.22 Transistor NPN



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Fig 4.23 Curva característica de los transistores bipolares

b) TRANSISTOR “PNP” -

Está formado por 3 trozos desemiconductores, 2 positivos y uno negativo. Teóricamente seforman 2 diodos en su estructura, el diodo de entrada formadopor E y B y el diodo de salida formado por B y C.

Fig 4.24 Transistor PNP



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-TRANSISTORES DE UNIJUNTURA-

Estos componentes están formados con 2 trozos de semiconductor endonde uno de ellos es un semiconductor base y el segundo es unpequeño semiconductor de excitación.

Fig 4.25 transistor UJT

Una de las aplicaciones del UJT más común es como generador depulsos en diente de sierra. Estos pulsos resultan muy útiles paracontrolar el disparo de la puerta de TRIACS y SCR.

Fig 4.26 Generador de pulsos de diente de sierra.

-TRANSISTORES POR EFECTO DE CAMPO-

Se caracterizan porque conducen por efecto de campo eléctrico y son2 categorías, los FET convencionales y los MOSFET.

1.

TRANSISTOR FET.-

Recibe polarización negativa en su electrodode abastecimiento o fuente y positivo en su electrodo de drenajeo drenador y para que conduzca se debe aplicar un pequeñovoltaje positivo o negativo en su electrodo de compuerta segúnel tipo de semiconductor base que tenga.

Fig 4.27 Transistor FET



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2.

TRANSISTOR MOSFET.- Tiene un recubrimiento de óxido metálicoque lo hace inmune a interferencias, pero se torna sensible ala electroestática, por lo tanto al trabajar con estoscomponentes debemos tener las siguientes precauciones:

Fig 4.28 Transistor MOSFET

-FOTOTRANSISTORES-

Pertenecen a la familia de los optoelectrónicos y se caracteriza

porque existe una ventana en su base por donde recibe luz parapoder variar su conducción, se usa como detector en sistemas defunción automática, alarmas, etc.

Fig 4.29 Fototransistor

-TRANSISTOR DARLINGTON-

Son un par de transistores bipolares normalmente acoplados enparalelo con el fin de aumentar la corriente de conducción; actúancomo amplificadores de potencia para circuitos de baja frecuenciay corrientes elevadas.

Fig 4.30 Transistor Darlington

-TRANSISTOR IGBT-

Estos dispositivos son una combinación de transistores bipolarescon activación en base tipo FET, son utilizados como actuadores depotencia en circuitos de alta potencia y por su respuesta rápida



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pueden aplicarse como interruptores en circuitos de corrientedirecta, en inversores, fuentes conmutadas de alta potencia, etc.

Fig 4.31 a Símbolo IGBT b IGBT Industrial

4.7 CIRCUITOS INTEGRADOS IC)

Los circuitos integrados se forman mediante capas semiconductoras endonde se usa un semiconductor base de cierta polaridad a la cual sele incrustan trozos de semiconductor de polarización contraria,

tantos como los componentes que se simulen.

Existen circuitos integrados híbridos que están formados porsemiconductores y componentes discretos; también están los circuitosintegrados monolíticos formados en una solo pastilla. La cantidad decomponentes que alberga un chip ha ido aumentando, por ejemplo:

IC MSI- Contiene entre 500 y 10000 componentes

IC VLSI y SSLI- Contienen arriba de 500000 componentes

Todos los integrados vienen en un empaque que les sirve comodisipador de calor, además cuentan con un punto guia para ubicar elpin 1 y los demás se enumeran en sentido anti horario.

Los empaques más comunes son:

1.

Empaque SIP (1 linea de pines)2.

Empaque DIP (2 lineas de pines)3.

Empaque CUADRIP (4 lineas de pines)4.

Empaque TO (de forma circular)

Fig 4.32 a cristal del IC b Capas semiconductoras

a) b)

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