Diodos y Transistores

Articulo leido en el programa Colombiano para Radioaficionados, Domingo 20 Septiembre 2015.

Todos recordamos desde el colegio nos hablaros del físico ruso Dmitri Ivánovich Mendeléyev quien publicó su primera Tabla Periódica de los Elementos Químicos en 1869. Según su propuesta, generalmente aceptada, todos los elementos químicos pueden ser agrupados en 8 grupos que poseen características similares. Los elementos localizado en los primeros grupos; 1, 2,.. se consideran “metales” y son buenos conductores de la electricidad, en cambio lo de grupos altos 7, 8, su comportamiento es no metálicos y no conducen bien la electricidad.
Pero en la mitad de la tabla está el grupo 4 al cual pertenecen el Carbón, Silicio, Germanio Estaño y Plomo. De este grupo el Silicio y el Germanio presentan características especiales muy usadas en electrónica. El Silicio y el Germanio, en estado puro, no son ni buenos ni malos conductores de electricidad por eso han tomado el nombre de Semi-Conductores pero si se contaminan un poquito con elementos del grupo 5 o 3 (de la tabla periódica) mejoran su conductividad y presentan características muy interesantes para la electrónica que se conoce como “electrónica de estado sólido”.

Tabla_Periódica_Mendeleiev
Fig. 1 Tabla Periodica segun Mendeleyev en 1869. Observe que en el grupo iv esta el Carbon “C” y el Silicio “Si” pero no figura el Germanio (Ge) porque en 1867 no se conocía su existencia pero Mendeleyev lo predijo con el nombre de Eka-Silicio. Este elemento fue descubierto en 1881 y se le dio el nombre de Germanio en honor a Alemania y ayudo a confirmar que las ideas de Mendeleyev eran correctas.

Debido a una mejor estabilidad térmica y menor coste de silicio, en la actualidad se prefiere el uso del Silicio sobre el Germanio, pero al principio de los semiconductores era muy usado el Germanio.
Cuando un semiconductor puro se mezcla (alea) con una pequeñísima parte del Galio o indio (elemento del grupo 3), se dice que el semiconductor se ha “dopado” y el nuevo elemento se llama Semiconductor tipo P, en cambio si se dopa con un elemento del grupo 5: Arsénico o Antimonio, el semiconductor se llama de tipo N.
Si ponemos en contacto un semiconductor tipo P con otro tipo N se forma lo que se denomina un DIODO y tiene la propiedad que la electricidad puede fluir en un sentido pero es nula en sentido inverso. Esta propiedad permite usar los diodos de semiconductor como elementos rectificadores de corriente.

diodo-semiconductor-n-p
Fig 2. Diodo semiconductor

En otros términos decimos que un diodo semiconductor es simplemente una unión (juntura) de un semiconductor tipo P con otro N, se llama diodo por su similitud a los diodos hechos con tubos de vacío ya que su comportamiento es similar y su uso primario era la rectificación de corriente. Con el tiempo han aparecido diodos de semiconductores con comportamientos eléctricos muy interesantes:
Existen unos diodos llamados Zener, los cuales se polarizan en el sentido inverso a su conducción, pero si el voltaje inverso sobrepasa cierto valor predeterminado, el diodo entra en conducción. Como el voltaje a que entra en conducción es muy exacto, los diodos Zener son usados como reguladores de voltaje.

diodo zener
Fig 3. Diodo Zener.

Hay unos diodos llamados Túnel porque cuando están funcionando en el sentido de conducción y el voltaje directo es pequeño, el diodo presenta características de resistencia negativa debido a un fenómeno físico llamado efecto Túnel.
¿Pero que es resistencia negativa?
En una resistencia normal, si nosotros aumentamos el voltaje aplicado a la resistencia entonces la corriente aumenta debido a la ley de Ohm I = V/R. Pero, hablamos de resistencia negativa de un dispositivo cuando un aumento de voltaje aplicado nos produce una disminución de la corriente, es decir lo contrario al efecto de una resistencia. . Pues resulta que un diodo Túnel presenta características de resistencia negativa que en cierta manera lo podemos asociar a un amplificador (lo contrario de atenuar) y lo hace muy útil como oscilador y amplificador de radiofrecuencia de muy bajo ruido.

descarga
Fig 4. Diodo Tunel y su caracteristica.

Hay otro tipo de diodo llamados Schottky. En los diodos normales existe un retardo entre un diodo que está en estado de no conducción pasa a conducir o viceversa, esto limita el uso de los diodos a frecuencias elevadas (VHF, UHF y microondas), en cambio los diodos Schotky pueden hacer transiciones mucho más rápidas permitiendo su uso en frecuencias muy elevadas.

descarga
Fig 5. Extructura del diodo Schottky y su simbolo.

Por último mencionaremos los LED o “Diodos Emisores de Luz” Light Emmiting Diode que son diodos de semiconductor adaptados para que cuando pase corriente por la unión PN emita luz en el espectro de luz visible y su utilización está en aumento.

Así como la unión de un semiconductor tipo P con otro tipo N crean un Diodo, la combinación de tres elementos P y N producen lo que se llama un Transistor. Un transistor presenta características eléctricas muy similares a los tubos electrónicos (tríodos, tetrodos, pentodos) que paso a sustituirlo.

descarga (1)
Fig 6. Diodos LED

Con tres elementos P o N podemos hacer dos configuraciones básicas: Combinación PNP o NPN por lo cual existen dos tipos de transistores llamados precisamente PNP o NPN. Los tres contactos de estos elementos se llaman Emisor, Base, y Colector. El emisor y colector utilizan semiconductor del mismo tipo, pero la base es de semiconductor del otro tipo a emisor y colector.
Los transistores de tres contactos: emisor, Base, Emisor, hechos con material semiconductor tipos N y P se conocen como Transistores Bipolares y como se hace juntando elementos semiconductores entonces su nombre mas exacto son Transistores Bipolares de Juntura o en ingles inglés bipolar junction transistor, o sus siglas BJT

TRANSISTOR1

transistor-middot-how-does-aFig 7. Transistores y su simbolo.

Los transistores bipolares fueron inventados en los Laboratorios Bell que era el centro de desarrollo de la compañía Norteamericana de teléfonos ATT por John Bardeen y Walter Brattain bajo la dirección de William Shockley, en diciembre de 1947. Los primeros transistores se construían utilizando un semiconductor tipo N, la base, al cual se tocaba con dos electrodos metálicos muy finos y poca distancia. Después de construido se le aplicaba una corriente eléctrica elevada que provocaba que la región cercana al electrodo se dopaba pasando a ser de tipo P, de esta forma se creaba el emisor y colector para posterior uso. Los transistores hechos de esta forma se denominan transistores de punta de contacto pero ya no se fabrican de esta forma.

0002662873
Fig 8. El primer transistor

Hay otro tipo de transistor de arquitectura diferente a los bipolares. Estan construido de una barra de material semiconductor tipo P o N alimentada en corriente en sus dos extremos. Un terminal se llama en ingles Source que significa fuente y el otro estremo se llama Drain o drenaje. En la mitad de la barra, entre Source y Drain se conecta un electrodo metálico aislado de la barra que se llama Gate o compuerta en español. Entre el source y el Gate se aplica un voltaje. A pesar que el Gate no está unido eléctricamente a la barra el voltaje aplicado genera un campo eléctrico que afecta el flujo de electrones que van de Souce a Drain. Esto se comporta como si la resistencia existente entre Source y Drain es afectada por el voltaje de la Gate.
Este tipo de transistores se llaman Field Effect Transistor o FET que se traduciría como Transistores de Efecto de Campo ya que su funcionamiento es debido al efecto del campo eléctrico generado en la Gate. La barra que conecta el Souce y el Drain se llama el substrato y puede ser de tipo P o N, es decir que existen FET de sustrato P o substrato N.

fet-field-effect-transistor
descarga (1)
Fig 9. Transistor de Efecto de Campo FET y su simbolo.

Hay algunas buenas propiedades para los transistores FET, primero que todo el substrato puede ser un pequeño bloque de material semiconductor al que se le agrega los terminales S y D y la Gate seria pequeños contactos metálicos colocados sobre la superficie del bloque. Esto facilita la construcción de circuitos integrados en la cual se incorporan ciento y millones de transistores sobre un substrato común. Otra ventaja es que como la Gate esta aislada del sustrato su resistencia se considera muy elevada o lo que se dice que su impedancia de entrada es muy elevada lo cual tiene su importancia en la construcción de circuitos.
En un FET clásico el gate es una superficie metálica separada del substrato por una capa de material aislante pero hay otros transistores que el Gate se construye como si fuera un diodo o juntura de material contrario al substrato. Estos transistores se denominan en ingles Juntion FET abreviados JFET o en español diríamos FET de Juntura.
El desarrollo de los transistores han creado otro tipo de transistor que funcionan por el mismo efecto de campo de los FET pero con algunos detalles constructivos diferentes. El sustrato es de semiconductor puro, el source y el drein se construye con un material dopado N o P. Entre S y D donde se encuentra el semiconductor no dopado se superpone la Gate separado del substrato por un material que lo denominan Metal Oxido Silicio por lo cual estos transistores se conocen como MOS, mas exactamente MOSFET.Si S y D son de tipo P se denominan de Canal P y si S y D son N entonces tendremos transistores de canal N.

0002621936

cap4_lec6_21
Fig 10. Estructura y simbolo del MOSFET

Es posible conectar un MOSFET de canal P con otro de canal N y hacerlos trabajar como si fuera una sola unidad. Estos montajes se llaman Complementarios y dan origen a otros tipos de dispositivos denominados CMOS FET
Una característica de los CMOS-FET es que dependiendo del voltaje de Gate la resistencia entre Source y Drain cambia entre casi 0 (cero) a un valor casi infinito, es decir que un CMOSFET se comporta como un switch casi perfecto controlado por el Gate. Esto ha permitido construcción de circuitos impensables en otras épocas.

cmos

Cmos_impurity_profile
Fig11. Extructura y simbolo de CMOS FET.

Anuncios

Un comentario en “Diodos y Transistores

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s