SEMICONDUCTORES Antes de ver el funcionamiento de Diodos, Transistores y Circuitos Integrados, estudiaremos los materiales Semiconductores, que no son ni conductores ni aislantes y su resistencia eléctrica puede ser poca o mucha dependiendo de las condiciones a que sean sometidos. Normalmente se presentan en la naturaleza en forma de minerales cristalizados. Conductores. - Un conductor es un material que, en mayor o menor medida, conduce el calor y la electricidad. Son buenos conductores los metales y malos, el vidrio, la madera, la lana y el aire. El conductor más utilizado es el Cobre, que es un buen conductor. Semiconductores. - Elementos, como el germanio y el silicio, que a bajas temperaturas son aislantes. Pero a medida que se eleva su temperatura o bien por la adicción de determinadas impurezas resulta posible que se comporte como un conductor. Su importancia en electrónica es inmensa en la fabricación de transistores, circuitos integrados, etc... Los mas usados son el Silicio y el Germanio. Cristales de Silicio. - Al combinarse los átomos de Silicio para formar un sólido, lo hacen formando una estructura ordenada llamada cristal. Esto se debe a las uniones entre átomos se hacen compartiendo electrones adyacentes de tal forma que se crea un equilibrio de fuerzas que los mantiene unidos. Esta unión de un electrón libre y un hueco se llama "recombinación". EL DIODO Si a un cristal se dopa de tal forma que una mitad sea tipo n y la otra mitad de tipo p, esa unión p n tiene unas propiedades muy útiles formando los "Diodos semiconductor ", al cual solo añadiremos un terminal de conexión a cada uno de los contactos metálicos de sus extremos y una cápsula que alojara todo el conjunto, dejando al exterior los terminales que corresponden al ánodo (zona P) y al cátodo (Zona N). Presenta sobre el diodo de vacío (Tubo) algunas ventajas fundamentales como: - Tamaño más reducido, lo que contribuye a la miniaturización de los circuitos. - La cantidad de calor en su funcionamiento es menor, ya que no necesita calentamiento del filamento. - Funciona con bajas tensiones, lo que posibilita su empleo en circuitos alimentados a pilas o baterías. - Son utilizados en equipos de altas corrientes, que con tubos resultaba prohibitiva por su tamaño. En su estructura molecular el ánodo se encuentra polarizado positivamente y el cátodo negativamente. P N A K Las propiedades de los materiales semiconductores se conocían en 1874, cuando se observó la conducción en un sentido en cristales de sulfuro, 25 años más tarde se empleó el rectificador de cristales de galena para la detección de ondas. Durante la Segunda Guerra Mundial se desarrolló el primer dispositivo con las propiedades que hoy conocemos, el diodo de Germanío. Barrera de potencial Es aquel voltaje que rompe la barrera entre los iones para permitir su conducción es equivalente a una diferencia de potencial llamada "Barrera de Potencial" que a 25 ºC vale: 0.3 V para diodos de Ge. 0.7 V para diodos de Si. 1 Polarización. - Dependiendo de la polarización su comportamiento varía: POLARIZACIÓN CIRCUITO CARACTERÍSTICAS DIRECTA El diodo conduce con una caída de tensión de 0,6 a 0,7V. El valor de la resistencia interna seria muy bajo. Se comporta como un interruptor cerrado El ánodo se conecta al positivo y el cátodo al negativo. El diodo no conduce y toda la tensión de la pila cae sobre el. Puede existir una corriente de fuga del orden de uA. El valor de la resistencia interna sería muy alto Se comporta como un interruptor abierto. INVERSA El ánodo se conecta al negativo y el cátodo al positivo Ruptura. - Los diodos admiten valores máximos en las tensiones que se les aplican, existe un límite para la tensión máxima en inversa con que se puede polarizar un diodo sin correr el riesgo de destruirlo. El ánodo se representa simbólicamente por una flecha y el cátodo por la parte plana del símbolo. Ánodo cátodo CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS Como todos los componentes electrónicos, los diodos poseen propiedades que les diferencia de los demás semiconductores. Es necesario conocer estas, pues los libros de características y las necesidades de diseño así lo requieren. En estos apuntes aparecerán las más importantes desde el punto de vista práctico. Valores nominales de tensión: VF = Tensión directa en conducción. VR = Tensión inversa en polarización inversa. Vip = Tensión inversa de cresta o pico de funcionamiento. Valores nominales de corriente: IF = Corriente directa. IR = Corriente inversa. IFAV = Valor medio de la forma de onda de la corriente durante un periodo. IFRMS = Corriente eficaz en estado de conducción. Es la máxima corriente eficaz que el diodo es capaz de soportar. IFSM = Corriente directa de pico (inicial) no repetitiva. 2 Clasificación Dentro del amplio conjunto de modelos y tipos de diodos semiconductores que actualmente existe en el mercado, se puede realizar una clasificación de forma que queden agrupados en varias familias, teniendo en cuenta sus características más destacadas y que son las que determinan sus aplicaciones Diodos rectificadores. El diodo deja circular corriente cuando se conecta el polo positivo al ánodo, y el negativo al cátodo, y se opone al paso de la misma si se conecta al revés. Esta puede utilizarse para la conversión de corriente alterna en continua, a este procedimiento se le denomina rectificación. La corriente resultante será «pulsante», ya que sólo circulará en determinados momentos, pero mediante los dispositivos y circuitos adecuados situados a continuación puede ser convertida en una corriente continua constante. Este tipo de diodos (normalmente de silicio) soportan elevadas temperaturas (hasta 200ºC en la unión), siendo su resistencia muy baja y la corriente en tensión inversa muy pequeña. Gracias a esto se pueden construir diodos de pequeñas dimensiones para potencias relativamente grandes, desbancando así a los diodos termoiónicos desde hace tiempo. Sus aplicaciones van desde elemento indispensable en fuentes de alimentación como en televisión, aparatos de rayos X y microscopios electrónicos, donde deben rectificar tensiones altísimas. En fuentes de alimentación se utilizan los diodos formando configuración en puente (con cuatro diodos en sistemas monofásicos), o utilizando los puentes integrados que simplifican en gran medida el proceso de diseño de una placa de circuito impreso. Los encapsulados de estos diodos dependen de la potencia que tengan que disipar. Hasta 1w se emplean encapsulados de plástico. Por encima de este valor el encapsulado es metálico y en potencias más elevadas es necesario que el encapsulado se fije a un radiador y así ayudar al diodo a disipar el calor producido por esas altas corrientes. Diodos Zener. Se emplean para producir entre sus extremos una tensión constante e independiente de la corriente que las atraviesa según sus especificaciones. Se les denomina diodos estabilizadores de tensión. Para evitar la destrucción del diodo por el aumento de la intensidad se pone en serie una resistencia. Se producen desde 3,3v y con una potencia mínima de 250mW. Los encapsulados pueden ser de plástico o metálico según la potencia que tenga que disipar. Un diodo que recibe una polarización inversa no permite el paso de la corriente. Sin embargo, al alcanzar una determinada tensión, denominada tensión zener se produce un aumento de la cantidad de corriente, de forma tal que esta diferencia de potencial entre sus extremos se mantiene prácticamente constante, aunque se intente aumentar o disminuir a base de variar la intensidad que lo atraviesa. Diodos de señal Se emplean en funciones de tratamiento de la señal, dentro de un circuito o bien para realizar operaciones de tipo digital formando parte de «puertas» lógicas y circuitos equivalentes, Son de baja potencia. El encapsulado es en forma de un cilindro miniatura, de plástico o vidrio, estando los dos terminales de conexión situados en los extremos. Sobre el cuerpo deberá estar marcado el hilo de conexión que corresponde al cátodo, 3 Diodos de conmutación. Los diodos de conmutación o rápidos son capaces de trabajar con señales de tipo digital o <<lógico>> que presenten unos tiempos de subida y bajada de voltaje muy breves. El factor que caracteriza a estos diodos es el tiempo de recuperación inverso (TRR) que expresa el tiempo que tarda la unión P-N en desalojar la carga eléctrica que acumula, cuando se encuentra polarizada inversamente (efecto similar a la acumulación de carga de un condensador), y recibe súbitamente un cambio de tensión que la polariza en sentido directo. Pueden ser considerados rápidos aquellos con un TRR inferior a 400 nanosegundos, en modelos de media potencia, para los de baja potencia este tipo es del orden de los 5 nanosegundos. Diodos led (Light Emitting Diode).El diodo LED es un diodo emisor de luz, se usan sólo para emitir luz, aprovechando que algunas sustancias semiconductoras al ser recorridas por una corriente producen un efecto luminoso. Presenta un comportamiento parecido al de un diodo rectificador, sin embargo, su tensión de umbral, se encuentra entre 1,3 y 4v dependiendo del color. Conocer esta tensión es fundamental para el diseño del circuito, normalmente se le coloca en serie una resistencia para protegerlo. Cuando se polariza inversamente no enciende (no circular la corriente). Su intensidad mínima es de 4mA y máxima 50mA. Color Tensión en directo Infrarrojo 1,3v Rojo 1,7v Naranja 2,0v Amarillo 2,5v Verde 2,5v Azul 4,0v Para identificar sus terminales observar como el cátodo será el terminal más corto, siendo el más largo el ánodo. Además, en el encapsulado, se observa un chaflán en el lado en el que se encuentra el cátodo. Se utilizan como señal visual y en el caso de los infrarrojos en los mandos a distancia. Diferencias entre un diodo normal y un LED: Diodo normal, el voltaje se transforma en calor, en El LED se transforma en fotón. Diodo normal está hecho de silicio. Y el LED hecho de As, P, Ga y aleaciones entre ellas. Fotodiodo Dispositivo sensible a la luz visible o infrarroja. Para que su funcionamiento sea correcto se polarizarán inversamente, con lo que producirán una cierta circulación de corriente cuando sean excitados por la luz. Debido a su construcción se comportan como células fotovoltaicas, es decir, en ausencia de tensión exterior, generan una tensión muy pequeña con el positivo en el ánodo y el negativo en el cátodo. Tienen una velocidad de respuesta a los cambios bruscos de luminosidad mayores a las células fotoeléctricas. La prueba de diodos requiere de 2 operaciones: medir en un sentido y en sentido opuesto, los diodos en buen estado solo deben medir en un solo sentido (conducción en polarización directa) y deben tener una resistencia infinita (medir infinito = no medir) en el sentido opuesto (polarización inversa): Cuando el diodo está dañado puede medir en ambos sentidos o medir “cero” como si fuese un cable: 4 El transistor En el año 1942, los físicos Bardeen, Brattain y Shockley investigando con semiconductores, descubrieron el transistor. Debido a la gran importancia, se les concedió en 1956 el Premio Nobel de Física. Dispositivo que permite el control y la regulación de una corriente grande mediante una señal muy pequeña. Existe una gran variedad de transistores. La palabra Transistor viene de Transfer Resistor o resistencia de transferencia, es un elemento que se comporta como una resistencia variable que depende de una señal eléctrica de control. El germanio y el silicio son los más utilizados para la fabricación de los elementos semiconductores. Los transistores pueden efectuar todas las funciones de los antiguos tubos electrónicos, incluyendo la ampliación y la rectificación, con muchísimas ventajas. Exteriormente está formado por un caparazón o cápsula que puede tener diferentes formas, del que salen tres electrodos o terminales y en algunos casos solamente dos ya que el tercer terminal lo forman el recubrimiento metálico de la cápsula. Elementos de un transistor: EMISOR, que emite los portadores de corriente, (huecos o electrones). BASE, que controla el flujo de los portadores de corriente. COLECTOR, que capta los portadores de corriente emitidos por el emisor. Tipos de los Transistores Por su estructura interna. Internamente, el transistor está formado por un cristal que contiene una región P entre dos regiones N (transistor NPN), o una región N entre dos regiones P (transistor PNP). La diferencia entre estos radica en la polaridad de sus electrodos. Los símbolos que corresponden a este tipo de transistor son los siguientes: Transistor NPN Estructura del NPN Transistor PNP 5 Estructura del PNP Por su potencia. Se habla de transistores de baja potencia (pequeña señal) y de transistores de potencia (gran señal). Es una forma muy sencilla de diferenciar a los que trabajan con potencias relativamente pequeñas de los que trabajan con potencias mayores. Transistores de baja potencia Es el que tiene una intensidad pequeña, lo que corresponde a una potencia menor de 0,5 W. En este tipo de transistores interesará obtener bcc grandes (bcc = 100 ÷ 300). Transistores de potencia Tiene una intensidad grande, lo que corresponde a una potencia mayor de 0,5 W. la hfe que se puede obtener en su fabricación es menor que en los de baja potencia. Características de los Transistores El consumo de energía es relativamente bajo. El tamaño de los transistores es relativamente más pequeño que los tubos de vacío. El peso. Una vida larga útil (muchas horas de servicio). Puede permanecer mucho tiempo en depósito (almacenamiento). Pueden reproducir el fenómeno de la fotosensibilidad (fenómenos sensibles a la luz). No necesita tiempo de calentamiento. Con el descubrimiento del transistor, los aparatos electrónicos pudieron hacerse mucho más pequeños, al ocupar el transistor un volumen mucho menor que las válvulas electrónicas anteriormente empleadas. En la figura se muestra el dibujo de una válvula en su tamaño real y el tamaño de un transistor. Se redujo también el consumo de corriente, porque las válvulas necesitaban calentamiento y el transistor no. Una polarización correcta permite el funcionamiento de este componente. No es lo mismo polarizar un transistor NPN que PNP. Polarización de un transistor NPN Polarización de un transistor PNP Generalmente podemos decir que la unión base - emisor se polariza directamente y la unión base colector inversamente. 6 El transistor polarizado. - Si se conectan fuentes de tensión externas para polarizar al transistor, se obtienen resultados nuevos e inesperados. Hay 3 configuraciones: Base común (BC). Emisor común (EC). Colector común (CC). Cada una de estas configuraciones a su vez puede trabajar en 4 zonas diferentes: Zona de CORTE: CONMUTACIÓN Zona de SATURACIÓN: CONMUTACIÓN Zona ACTIVA: AMPLIFICADORES Zona ACTIVA INVERTIDA: SIN UTILIDAD ZONAS DE TRABAJO CORTE. - No circula intensidad por la Base, por lo que, la intensidad de Colector y Emisor también es nula. El transistor, entre Colector y Emisor se comporta como un interruptor abierto. Cuando el interruptor SW1 está abierto no circula intensidad por la Base del transistor por lo que la lámpara no se encenderá, ya que, toda la tensión se encuentra entre Colector y Emisor. SATURACION. - Cuando por la Base circula una intensidad, se aprecia un incremento de la corriente de colector considerable. En este caso el transistor entre Colector y Emisor se comporta como un interruptor cerrado. De esta forma, se puede decir que la tensión se encuentra en la carga conectada en el Colector. Cuando se cierra el interruptor SW1, una intensidad muy pequeña circulará por la Base. Así el transistor disminuirá su resistencia entre Colector y Emisor por lo que pasará una intensidad muy grande, haciendo que se encienda la lámpara. Cuando trabaja en la zona de corte y la de saturación se dice que trabaja en conmutación. Como si fuera un interruptor. ACTIVA. - Los físicos que descubrieron el transistor se dieron cuenta que mediante la variación de una corriente débil aplica a la base podían gobernar otra mucho más intensa entre colector y emisor. Esto significa que pequeñas corrientes eléctricas pueden ser amplificadas, o lo que es lo mismo, que señales débiles pueden transformarse en otras suficientemente fuertes. La intensidad que atraviesa el emisor es igual a la intensidad que pasa por el colector más la intensidad que pasa por la base. Actúa como amplificador. Puede dejar pasar más o menos corriente. La ganancia de corriente es un parámetro también importante para los transistores ya que relaciona la variación que sufre la corriente de colector para una variación de la corriente de base. Los fabricantes suelen especificarlo en sus hojas de características, también aparece con la denominación hFE. 7 Los transistores de tipo BJT o bipolares también se prueban como si fueran diodos. Su estructura interna es equivalente a 2 diodos unidos de donde salen 3 terminales: Colector, Base y Emisor. Tal como se puede apreciar en estas figuras hay que medir los 2 diodos que forman el transistor (C-B y B-E) tanto en sentido directo como en sentido inverso (son 4 mediciones=2 por cada diodo, en sentido directo e inverso), además hay que verificar que no exista conducción (llamada fuga) entre el colector y el emisor con lo que se añaden 2 mediciones más para un total de 6. Para probar un transistor bipolar hay que realizar 6 mediciones con el multímetro. Por cierto, que éstas mediciones deben realizarse con el transistor desmontado del circuito para que resulten confiables. El transistor de Efecto de Campo Con los transistores bipolares observábamos como una pequeña corriente en la base de los mismos se controlaba una corriente de colector mayor. Los Transistores de Efecto de Campo son dispositivos en los que la corriente se controla mediante tensión. Cuando funcionan como amplificador suministran una corriente de salida que es proporcional a la tensión aplicada a la entrada. Características generales: Por el terminal de control no se absorbe corriente. Una señal muy débil puede controlar el componente La tensión de control se emplea para crear un campo eléctrico Se empezaron a construir en la década de los 60. Existen dos tipos de transistores de efecto de campo los JFET (transistor de efecto de campo de unión) y los MOSFET. Los transistores MOS respecto de los bipolares ocupan menos espacio por lo que su aplicación más frecuente la encontramos en los circuitos integrados. Es un componente de tres terminales que se denominan: Puerta (G, Gate), Fuente (S, Source), y Drenaje (D, Drain). Según su construcción pueden ser de canal P o de canal N. Sus símbolos son: Símbolo de un FET de canal N Símbolo de un FET de canal P Como en los transistores bipolares existen tres configuraciones típicas: Surtidor común (SC), Drenador común (DC) y Puerta común (PC). La más utilizada es la de surtidor común que es la equivalente a la de emisor común en los transistores bipolares. Las principales aplicaciones de este tipo de transistores se encuentran en la amplificación de señales débiles. Comprobación de transistores: 8 CIRCUITOS INTEGRADOS Usando transistores se conforman circuitos que producen funciones desde muy sencillas como los amplificadores de señal hasta funciones complejas como los microprocesadores; en la medida que se deben usar más transistores para una función el espacio ocupado por el circuito aumenta y se hacen más difíciles lograr los niveles de polarización adecuados, hay más posibilidad de problemas de funcionamiento, usando circuitos integrados se logra mayor fiabilidad en el ensamblaje y funcionamiento de un equipo y sobre todo se ha logrado reducción en el espacio ocupado por los circuitos CLASES Las dos principales clases de circuitos integrados son lineales y digitales; los lineales manejan señales análogas que son aquellos voltajes o corrientes que varían y toman cualquier valor entre un mínimo y un máximo estas señales se representan por variables continuas, los circuitos integrados digitales funcionan con voltajes que permanecen dentro de dos rangos o niveles. Llamados alto (H) y bajo (L) que se asocian con los dígitos del sistema numérico binario : 0 y 1; los tiempos de transición de un nivel al otro son muy cortos en el orden de ps o ns Dentro de cada clase los circuitos se clasifican por su función, por ejemplo: Circuitos lineales: Amplificadores, demoduladores, osciladores, detectores de cruce por cero, reguladores, amplificadores operacionales, etc. Circuitos digitales: Multivibradores, flip-flop, microprocesadores, etc. multiplexores, contadores, buffer, decodificadores, memorias, ENCAPSULADOS Los circuitos integrados se forman por una pastilla semiconductora donde se fabrican los diodos, transistores, resistencias, etc.; a ella se unen mediante alambres a los terminales o pines metálicos con que se conectará a otros circuitos y todo va montado en un encapsulado plástico o cerámico que le da forma exterior. Los encapsulados se identifican por su tamaño y distribución de los pines, siendo los más usados: DIP, SIP, SMD, FLAT CARRIER. 9 Los encapsulados DIP se numeran sus pines en sentido antihorario, empezando por el pin de abajo a la izquierda, teniendo el hueco o la muesca media caña al lado izquierdo. Código Cada fabricante usa un sistema propio no normalizado de identificación de integrados, en general para el uso de cualquier referencia lo más conveniente es obtener la información del fabricante respecto a especificaciones, formas de conexión, aplicaciones y notas de aplicación. Algunos fabricantes además de la referencia indican un número de cuatro dígitos donde los dos primeros indican año de fabricación y los otros dos la semana; ejemplo: 9835, indica que fue fabricado en la semana 35 de 1998. AM xxxx Advanced Micro. Devices (AMD) www.amd.com AN xxxx Matsushita www.maco.panasonic.co.jp CXA xxxx Sony www.sel.sony.com/semi ECG xxxx PHILIPS - Silvanya www.ecgproducts.com GE xxxx General Electric www.ge.com GL xxxx GoldStar http://lge.expo.co.kr/lge/ KA xxxx Samsung www.sec.samsung.com KIA xxxx KEC - Korea Electronics Co. http://www.keccorp.com/ KT xxxx KEC - Korea Electronics Co. http://www.keccorp.com/ LA xxxx Sanyo www.semic.sanyo.co.jp LC xxxx Sanyo www.semic.sanyo.co.jp LM xxxx National Semiconductor www.national.com LM xxxx Raytheon Semiconductors www.raytheonsemi.com SE xxxx Signetics (Philips) http://www.semiconductors.com/ STK xxxx Sanyo www.semic.sanyo.co.jp STR xxxx Sanken www.sanken-ele.co.jp TDA xxxx Philips http://www.semiconductors.com/ 10
