SEMICONDUCTORES 2

Articulo leído en el Programa Colombiano para Radioaficionadoes el 19 Octubre 2014.

En el articulo anterior tratamos lo que conocemos como un semiconductor que son pequeños pedazos de Germanio o Silicio puro al cual se le ha agregado pequeñas cantidades de una impureza por lo cual decimos que esta “dopado”. Dependiendo del material dopante tenemos semiconductores de tipo N o P.

En los semiconductores N el flujo de corriente eléctrica se realiza por electrones (de carga negativa de ahí su nombre N), en cambio en los semiconductores P el flujo se explica por flujo de lugares donde falta un electrón que simbólicamente se denominan “huecos” y simbólicamente son de carga positiva.

También se dice que un semiconductor tipo N es un “donante” de electrones mientras que un tipo P es un “receptor” de electrones.

Al principio se usó el Germanio como material semiconductor pero luego se migro al Silicio ya que este material es muchísimo mas abundante en la naturaleza que el Germanio. La arena es básicamente Silicio puro. Además los dispositivos hechos con Silicio son más estables con la temperatura que el Germanio.

En la actualidad casi la totalidad de los semiconductores son hechos de Silicio. En Estados Unidos cerca de San Francisco California hay un lugar en donde están concentrado la mayor cantidad de sedes de compañías dedicadas a la industria electrónica y se conoce como “Silcom Valley” en honor al Silicio que es el material que ha contribuido al éxito de la electrónica.

Cuando se junta un semiconductor P con otro N, decimos que se presenta una “barrera” en el punto de unión debido a la diferente manera de conducir electricidad. Si nosotros conectamos la unión NP a una fuente de electricidad de manera que el polo positivo de la fuente al material P y el negativo al material N entonces va a ver un paso de corriente a través de la barrera, en cambio si la polarización es inversa no habrá paso de corriente por la barrera.

Un dispositivo hecho por la unión de un semiconductor P con otro N constituye un “Diodo Semiconductor” con propiedades similares al Diodo de tubos electrónicos y puede ser usados para rectificar corrientes alternas.

También podemos combinar tres elementos semiconductores de la forma PNP o NPN las cuales presentan dos junturas o uniones de material diferente.  Esta combinación se conoce con el nombre de “Transistor”. Su nombre es derivado del inglés “transfer resistor” resistencia de transferencia debido a la forma en que los diseñadores de este elemento trataron de explicar su funcionamiento.

En la combinación de tres elementos cada uno se llama “Emisor” “Colector” y “Base”. La Base siempre es el material del medio de tipo diferente a los otros dos.  Podemos decir que hay dos junturas o uniones, la Base Emisor y la Base Colector, similares a diodos semiconductores.

En los Transistores la juntura Base-Emisor (que en la práctica es un diodo) se polariza en el sentido que pase la corriente o como decimos en sentido directo. Es decir la Base es positiva en los transistores NPN y Base negativa en los PNP.

El Colector se polariza con el mismo símbolo que la Base pero con una tensión (voltaje) superior a la base. El voltaje se suministra entre Emisor y Colector.

En principio, si por la juntura Emisor Base no hay circulación de corriente o muy devil, entonces no hay  corriente entre Emisor y Colector porque existe una doble barrera: Emisor-Base y Base-Colector.

Ahora bien, si nosotros propiciamos una circulación de corriente entre Emisor y Base, las cargas eléctricas que pasan por la Base pueden tener suficiente energía para sobrepasar la barrera existente entre Base-Colector y serán atraídos hacia el Colector ya que tiene una mayor tensión o voltaje que la Base. El resultado es una mayor o menor circulación de corriente entre Emisor-Colector dependiendo de la mayor o menor conducción de corriente entre Emisor-Base. Es decir que regulando el flujo de corriente entre Emisor-Base podemos controlar el flujo de corriente entre Emisor-Colector.

Como las tensiones aplicadas entre Emisor-Base son menores a las aplicadas a Emisor-Colector tendremos que una pequeña corriente puede controlar el flujo de una mayor corriente lo que significa una “amplificación” que es básicamente la aplicación de un transistor. Una pequeña energía controla una energía superior.

Los primeros transistores eran hechos utilizando un pedazo de semiconductor tipo N  que constituía la Base y al cual le colocaban dos alambres que tocaban la base pero ligeramente separados. En la fabricación a los alambres se le aplicaba una sobre-tensión que producía un recalentamiento del punto de contacto con la base provocando que átomos de los alambres penetraran en la base creando zonas de semiconductor tipo P. El resultado era un transistor tipo PNP.  Estos transistores son conocidos con el nombre de Transistores de Contacto, fueron los primeros producidos, son difíciles de producir y poco eficientes por lo que su producción prácticamente ha desaparecido.

Actualmente se producen transistores utilizando una superficie de silicio puro y en puntos específicos se dopan con impurezas para producir zonas de tipo P o N. Si tres zonas consecutivas se dopan como PNP o NPN producen un transistor.  Esta técnica permite que sobre una misma superficie de silicio llamada “pastilla” se puedan producir varios transistores.

La técnica se ha desarrollado logrando una elevada precisión de las zonas a dopar que en la actualidad se pueden crear millones de transistores en una superficie no mayor a 1 centímetro cuadrado, lo que constituye los actuales Circuitos Integrados.

El desarrollo de los transistores produjo otro tipo de transistor con una arquitectura diferente a la tipo PNP o NPN.  Consiste en una barra de material semiconductor N o P. En la mitad de la barra se crea una zona de tipo contrario a la barra creando una juntura no tan extensa que permita la continuidad entre los dos extremos de la barra.  Es decir la juntura es como una zona de estrangulamiento de la barra.

Los dos extremos de la barra se alimentan con corriente eléctrica y habrá sierto flujo de electricidad. Los extremos de la barra se denominan “Surce” Fuente y “Drain” Drenaje. La juntura se conoce como “Gate” Puerta.  El “puerta” se polariza respecto a la “fuente” en sentido de no conducción.

Ahora bien, la corriente que pasa de Fuente a Drenaje pasa por la extrangulacion de la compuerta.  El área de estrangulamiento puede ser alterada por la mayor o menor voltaje que se aplique a la Puerta lográndose controlar el paso de corriente Fuente-drenaje dependiendo del efecto del voltaje sobre la Puerta. Estos transistores se conocen como “transistores de efecto de campo” o FET por sus siglas en ingles de Field Efect Transistor.

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SEMICONDUCTORES

SEMICONDUCTORES

El tema de hoy son los “semiconductores”, un material que se utiliza extensamente para construir componentes electrónicos.

Nosotros conocemos la existencia de buenos conductores de la electricidad como son casi todos los metales y otros que son malos conductores y que llamamos aisladores como el vidrio, la cerámica, los plásticos, etc. Entonces semiconductores son elementos que tendrían un comportamiento “similar” a conductores y en general se refiere a los elementos “Silicio” y “Germanio” que bajo ciertas circunstancias se comportan como conductores con ciertas características especiales.

Para tratar de explicar el tema debemos recordar que en la naturaleza existen 92 elementos simples que se caracterizan por tener un número dado de protones e igual número de electrones en su átomo. El número de electrones se conoce como el número atómico del elemento.  Según las teorías de la física los electrones giran alrededor de un núcleo donde se encuentran concentrados los protones (y neutrones).  Los electrones se concentran en capas y la capa más externa solo puede tener un máximo de 8 electrones.

Si dividimos el número atómico en 8, el remanente es el número de electrones que existen en la última capa. Esto nos permite agrupar todos los elementos en 8 grupos ya que el número de electrones de la última capa permite explicar su comportamiento químico y eléctrico. Esta clasificación en 8 grupos es la base de la “tabla periódica de los elementos” de Mendeleyev que estudiamos en nuestros cursos de Química en el colegio.

Los elementos que tienen 1, 2 o 3 electrones en su capa externa los pueden perder fácilmente, son los metales y su fácil movimiento de electrones explica por qué son buenos conductores de electricidad. En cambio los que tiene 5, 6 o 7 electrones se conocen como metaloides y tiene la tendencia a ganar electrones para completar su última capa por lo cual interactúan rápidamente con los metales que son donadores de electrones para crear moléculas compuestas. El estudio de estas reacciones son el campo de la química y el número de electrones libres o faltantes constituye la “valencia”.

Los elementos que tiene 8 electrones en su última capa, la tienen saturada, y son químicamente neutros y se conocen como Halógenos.

Nos quedan los elementos que tienen 4 electrones en su última capa, ellos pueden donar o recibir 4 electrones indistintamente lo cual le da unas características especiales. Los principales elementos del grupo 4 son el Carbón, Silicio y Germanio. Estos elementos en estado puro tienden a formar moléculas grandes  uniendo muchos átomos de su mismo tipo con 4 enlaces covalentes. En el caso del Carbón, sus grandes moléculas en el componente de todos los seres vivos. El Silicio y el Germanio han permitido aprovechar sus cualidades para desarrollar los “Semiconductores” que ha permitido el avance de la electrónica.

En condiciones normales un pedazo de Silicio o Germanio puro esta agrupado en moléculas con todos sus enlaces covalente ocupados y sin electrones libres por lo cual es un material aislante, mal conductor de la electricidad.  Recuerden que el vidrio es básicamente Silicio puro y es un excelente aislante.

Pero, si al pedazo de Silicio o Germanio puro, le agregamos pequeñísimas cantidades de otro elemento decimos que le  adicionamos una “impureza” y el nuevo material con la impureza decimos que esta “dopado”.

Si la impureza es un componente del grupo 5, (5 electrones en su última capa) como es el Fosforo, Arsénico o Antimonio, entonces el nuevo componente reemplaza los cuatro enlaces con los átomos de silicio o germanio cercanos pero un electrón queda libre permitiendo la circulación de corriente, es decir se vuelve conductor.

El silicio o germanio “dopado” con elementos del grupo 5 se vuelve conductor por movimientos de electrones que son cargas negativas y esto se conoce como un “Semiconductor” tipo N.

En cambio sí al Silicio o Germanio puro lo dopamos con elementos del grupo 3 (3 electrones en su última capa) , las nuevas moléculas quedan con un faltante de un electrón que vamos a llamarlo un “hueco”. Si algún electrón se mueve a ocupar el “hueco”, lo tapa pero genera un “hueco” donde él estaba, si este nuevo hueco es tapado es a costa de otro hueco generado, etc. Podemos pensar que el desplazamiento de los electrones genera un avance del hueco en dirección opuesta al movimiento de electrones.

Un “hueco” es la ausencia de un electrón por lo tanto un hueco tiene carga positiva. Un material dopado con elementos del grupo 3 se produce un flujo de “huecos” de carga positiva lo que representa una corriente, por lo tanto un dopaje de este tipo produce un buen conductor de electricidad por cargas positivas y el material se denomina “Semiconductor tipo P”.

En resumen: Un pedazo puro de Silicio o Germanio lo convertimos en un buen conductor si lo dopamos con elementos del grupo 5 o 3 creando Semiconductores de tipo P o N,

Lo interesante se presenta cuando un semiconductor de tipo N se pone en contacto con un semiconductor de tipo P.  En el punto de contacto podemos decir que existe una “barrera”  u obstáculo ya que en un lado hay electrones libres y en los otros huecos libres.

Si a una unión NP le aplicamos una corriente eléctrica de manera que el polo positivo se conecta al semiconductor P y el polo negativo al semiconductor N se produce el siguiente efecto: El potencial positivo en el lado P va a rechazar sus huecos hacia la barrera de la unión con suficiente energía para pasen a través de la barrera, a su ve los electrones del nado N serán rechazado por el potencial negativo forzándolos a pasar la barrera. Esto significa un doble paso de huecos y electrones por la barrera lo que es lo mismo a un paso de corriente eléctrica por la barrera o juntura de semiconductor N y P.

En cambio sí polarizamos una unión NP con potencial positivo en el semiconductor N y negativo en el P el efecto es que el potencian positivo del materia N causa una atracción de sus electrones alejándolos de la barrera y el potencial negativo en el material P mueve sus huecos alejándolos de la barrera, el resultado es ningún flujo de cargas eléctricas por la barrera y la unión se volvió un aislante.

Resumiendo, una unión de material semiconductor N con P conduce corriente si se polariza negativo en N y positivo en P y no conduce corriente si se polariza contrario: Positivo en N y negativo en P.

Un componente formado por una unión de material semiconductor N con otro P constituye un DIODO ya que tiene las mismas características de un diodo de un tubo electrónico con algunas ventajas sobre el tubo ya que no necesita un filamento que caliente los electrones y de más fácil construcción ya que no utiliza partes móviles.

La siguiente complejidad es hacer una unión de tres elementos semiconductores lo que nos da 2 configuraciones: unión NPN o unión PNP. La unión de tres elementos constituyen un TRANSISTOR que los hay de dos tipos PNP o NPN. Debido a la complejidad del funcionamiento de la unión de tres elementos y su importancia de los TRANSISTORES dejamos el tema para tratarlo en un próximo artículo.

TUBOS O VÁLVULAS ELECTRONICAS

Tubo electrónico

El tema de este artículo es los “Tubos electrónicos” también conocidos como “tubos al vacío”, “válvulas electrónicas”, “válvulas termoiónicas”, etc. Ha sido el elemento fundamental de los circuitos electrónicos desde que se inventó a principio del siglo 20 y aun después de más de 100 años se siguen produciendo y usando en equipos electrónicos a pesar de existir ahora otros dispositivos que realizan funciones similares.

Para encontrar sus orígenes debemos recordar a un famoso inventor norteamericano llamado Tomas Alva Edison quien a finales del siglo 19 invento entre otros el fonógrafo y las bombillas eléctricas para iluminación.

Todos conocemos las bombillas eléctricas. (Bueno aun, ya que hay planes para acabar su producción). Está compuesta de un recipiente de vidrio donde su interior se encuentra al vacío, es decir sin aire. La corriente eléctrica se aplica a un delgado filamento metálico que cuando lo atraviesa la corriente se calienta tanto que se vuelve incandescente y emite luz.

Cuando Edison invento la bombilla eléctrica hizo varios experimentos con el fin de mejorar la eficiencia de la bombilla. Uno de sus experimentos consistió en poner una placa metálica cerca del filamento de la lámpara pero sin tocarla, luego le aplico un voltaje entre el filamento y la placa. Observo que si la polaridad de la placa con respecto al filamento era positiva existía una circulación de corriente en el circuito, en cambio si la placa se polarizaba negativamente no había circulación de corriente. Para Edison este experimento no contribuyo a mejorar la eficiencia del bombillo por lo cual lo descarto pero dio a conocer sus resultados que desde entonces se conoce como “efecto Edison”.

La explicación actual del efecto Edison es que el filamento al calentarse emite electrones libres. Como los electrones tienen carga negativa entonces si la placa se polariza positiva, los electrones serán atraídos hacia la placa generando una circulación de corriente. En cambio si la placa es polarizada negativamente, los electrones son rechazados por la placa y no existirá ninguna circulación de corriente.

Tiempo después del descubrimiento de Edison, en el año de 1904, el Dr. John Fleming, un científico inglés perfecciono la “válvula Fleming” que era un tubo al vacío con un filamento y una placa. Poco después se le denomino DIODO por el hecho de estar constituido de dos elementos. Fleming utilizo el diodo para rectificar corrientes alternas, es decir convertir corrientes alternas en corrientes continuas.  Si recordamos una corriente alterna cambia constantemente su polaridad, como el diodo solo pasa corriente cuando la placa es positiva, entonces se puede usar como una “compuerta” que permite el paso de corriente en un ciclo de la corriente y lo aísla en el opuesto.  Es decir que el diodo actúa como una “válvula” de ahí su nombre.

Pocos años después y con un mejor conocimiento del efecto Edison, el inventor norteamericano Dr. Lee DeForest introdujo un tercer elemento en el Diodo consistente en una rejilla o malla poco tupida entre el filamento y la placa. En contraposición al diodo esta nueva configuración empezó a llamarse “Tríodo”, es decir de tres elementos.

En la configuración de DeForest la placa siempre se polariza positivamente es decir que siempre va a atraer los electrones generados en el filamento, pero la malla o rejilla se polariza ligeramente negativa con respecto al filamento. Como la rejilla esta polarizada negativamente se va a oponer a que los electrones emitidos por el filamento alcancen la placa. La mayor o menor oposición al flujo de electrones entre filamento y placa depende de la mayor o menor tensión (o voltaje) existente en la rejilla. En otras palabras, el voltaje de rejilla controla la corriente de la placa, como la rejilla se polariza negativamente no va a ver circulación de corriente por la rejilla o lo que es lo mismo no hay consumo de potencia (P = V*I).

El resultado es que un voltaje aplicado a la rejilla, sin consumo de potencia, puede controlar un flujo de corriente de placa que representa una potencia lo que significa una “amplificación”. Una potencia casi nula controla a una potencia mayor.

Este poder de amplificación de los Tríodos tuvo aplicación inmediata en la naciente tecnología de la Radio.  Permitió hacer osciladores que generaran corrientes alternas de alta frecuencia de manera continua lo que se llamó “onda continua” in inglés “continuos wave” abreviado CW. La otra aplicación de los tríodos fue servir de amplificador de las pequeñísimas señales captadas por la antena y convertirlas en señales de más potencia.

Nota: El término CW actualmente es sinónimo de telegrafía por radio pero en su origen indicaba telegrafía usando transmisores de tubos que producían una onda continua en oposición a los antiguos transmisores en que la radiofrecuencia se generaba por chispas que producían una onda amortiguada.

Las características del tubo Tríodo permitió a un sinnúmero de inventores y científicos desarrollar la radio y la electrónica a unos niveles ni siquiera imaginados por nuestros antepasados. En la primera mitad del siglo 20 se inventaros dispositivos electrónicos cada vez mas sofisticados todos ellos basados en explotar las características de los tubos electrónicos.

En 1946 se inventó el “transistor” que realiza funciones casi idéntica a los tubos y con algunas características mejores y poco a poco ha ido remplazando a los tubos y actualmente hay muy pocos dispositivos electrónicos que utilizan tubos.

En honor a la verdad el gran desarrollo de la electrónica se hizo utilizando tubos que posteriormente se reemplazaron por transistores. La mayoría de las aplicaciones actuales con transistores son circuitos que fueron inventados y desarrollados con tubos y son una “replica” “transistorizada” de circuitos que existen con tubos.

El tema del Transistor será tema de otro documento, pero permítame continuar como siguió el desarrollo de los tubos o válvulas electrónicas.

El Tríodo de DeForest fue mejorado con la introducción de una rejilla colocada entre la primera rejilla y la placa. La rejilla más cerca del filamento se llama actualmente “reja” o “rejilla” mientras que la segunda se denomina “pantalla”.  La pantalla siempre se polariza positivamente y su función es tomar los electrones que logran pasar la rejilla y acelerarlos hacia su destino en la placa. Como este dispositivo tiene cuatro elementos: filamento, rejilla, pantalla y placa se denomina “Tetrodo”  y tiene mejores características de amplificación que los triodos.

El diseño de los tubos continúo con la adición de otra rejilla entre la pantalla y la placa creando los Pentodos (tubos de 5 elementos). La última rejilla se llama supresora y se polariza negativamente. La función de la “supresora” depende de la arquitectura del tubo, en unos el voltaje de la supresora se usa para redirigir en forma segura a los electrones hacia el lugar exacto en que esta la placa y en otros actúa sobre algunos electrones que llegan con mucha fuerza a la placa y son rebotados, la supresora los devuelve a la placa.

Otro avance importante en los tubos fue usar una superficie altamente emisora de electrones y usar el filamento para calentarla. Este elemento se llama “cátodo” y mejoro el manejo de corriente de los tubos y separo las funciones de emisión de electrones de la calefacción.

La industria traduce todo tipo de tubos: Diodos, Tríodos, Tetrodos, Pentodos. Cada uno conserva ciertas características que son las que se utilizan en una aplicación dada.

Aunque actualmente los transistores han reemplazado el uso de tubos en la industria electrónica los tubos conserva su uso en algunos circuitos. El lugar en que aún se utilizan los tubos en los amplificadores de audio y radiofrecuencia de alta potencia. Su linealidad de la amplificación y el manejo de altas potencias con seguridad y confiabilidad además de circuitos más sencillos los hacen muy competitivo es esta área.

Para los radioaficionados es muy común la presencia de tubos en los amplificadores finales de radiofrecuencia cuando se utilizan potencia de cientos de vatios hasta el límite máximo de 1.5 Kwatts.  En general los amplificadores con tubos son sensiblemente más baratos que sus equivalentes con transistores.

En el mercado actual de tubos para amplificadores se ofrecen modelos de diseño antiguo aunque producidos con técnicas modernas y prestaciones de servicio superior. En general existe el siguiente grupo de tubos:

Tubos diseñados durante la segunda guerra mundial, significa que fueron diseñados hace mas de 60 años y aun sigue siendo usados debido a su robustez y bajo costo ya que no hay pagos de licencias. Los tubos tiene denominaciones de  números de la serie 800.

Los más conocidos son el 807 un tetrodo para amplificadores de menos de 100 watts, el tríodo 811 y el pentodo 813 para potencias alrededor de 200 y 300 watts.  En la práctica se colocan 2 o más tubos de estos trabajando en paralelo para lograr mayores potencias de salida.

En la década de los 60 aparecieron unos tubos diseñados para osciladores de fly-back en televisores de color de pantallas grandes.  Estos tubos resultaron muy apropiados para usar en amplificadores de RF para potencias alrededor de los 100 watts. La denominación de estos tubos son 6DQ6, 6AQ5 y otros similares.

Hay tubos en ampollas de vidrio de tamaño grande diseñados para trasmisores de radio comerciales los cuales son usados en el área de radioaficionados. Su denominación es de la forma 3X150, 3X400, 3X1000, 4X500, 4X1000, etc.  En esta denominación el primer número 3 indica que es un tríodo y el 4 que es un tetrodo. El número después de la X indica lo que se llama disipación de placa del tubo en watts.  La explicación es la siguiente: Un amplificador consume una potencia dada pero la potencia suministrada en radiofrecuencia es una fracción de la potencia alimentada. Esta fracción es la eficiencia del circuito, el resto de la energía se pierde en forma de calor en la placa y es conocida como disipación de placa.  Los fabricantes de tubos especifican cual es la máxima potencia que un tubo puede disipar en placa sin dañarse. Un tubo puede usarse para amplificadores de potencia 2 o 3 veces la disipación de placa.

Hay tubos de diseño más modernos que no usan ampollas de vidrio sino que utilizan material cerámico y las placas metálicas se sellan directamente a la cerámica. Esto permite construir tubos de tamaño más reducidos y de mayores potencias. La denominación de estos tubos son de la forma 3CX1000, 4CX1500, etc. y el criterio es el mismo de los tubos en vidrio, sino que la combinación CX indica que son tubos en cerámica.

Hay más denominaciones de tubos en el mercado no mencionados en este documento debido a su brevedad y además existen tubos equivalentes a los anteriores nombrados que recibe diferente denominación debido a estándares militares, políticas de compañías o restricciones de patentes en países donde los fabrican.