Diodos

Diodo Varicap

Se utiliza en **radiofrecuencia** y **sistemas de medida**. Funciona con **polarización inversa** y tiene la propiedad de comportarse como un **condensador de capacidad variable**. Esta capacidad depende de la **tensión aplicada** entre sus extremos.

Diodo LED

Se clasifica dentro de los **dispositivos optoelectrónicos**, que son elementos semiconductores capaces de producir una **reacción luminosa** comprendida dentro del **espectro visible** o fuera del mismo (como los **infrarrojos**). Se utiliza con **polarización directa** y siempre asociado a una **resistencia**. La **intensidad luminosa** depende de la **corriente eléctrica** que lo atraviesa y suele estar especificada por el fabricante (típicamente entre **10-30 mA**).

Diodo Zener

A diferencia de los diodos rectificadores de señal, que nunca se emplean en la región de ruptura para evitar dañarlos, el **diodo Zener** es un diodo de silicio diseñado y fabricado específicamente para operar en su **zona de ruptura**, donde su rendimiento es óptimo. Se utiliza con **polarización inversa** y debe ir asociado a una **resistencia en serie**. La característica principal del diodo Zener es que mantiene una **tensión fija y constante** entre sus extremos, conocida como **tensión Zener (Vz)**. Esta tensión es el valor para el cual ha sido fabricado, por lo que cada diodo Zener posee su propia tensión nominal.

Conceptos Fundamentales

Recta de Carga

Es una **herramienta gráfica** empleada para determinar los **valores de corriente y tensión** de operación de un diodo en un circuito. Si la **intensidad (I)** es 0, el circuito está **abierto** (corte). Si la **tensión en el diodo (VD)** es 0, el diodo **conduce plenamente** (saturación).

Reactancia Capacitiva

Es la **oposición** que presenta un **condensador** al paso de la **corriente alterna (CA)**.

Reactancia Inductiva

Es la **oposición** que presentan las **bobinas** al paso de la **corriente alterna (CA)**.

Transistores Bipolares (BJT)

El Transistor sin Polarización

Un transistor bipolar posee **tres zonas de dopado**: el **emisor** (inferior), el **colector** (superior) y la **base** (central). Este dispositivo puede ser de tipo **NPN** o **PNP**. En la **unión PN**, los electrones se difunden a través de la unión y se recombinan con los huecos de la zona P. El resultado son dos **zonas de deflexión** (o agotamiento), una en cada unión, donde no hay portadores de carga libres. La **barrera de potencial** originada por los átomos ionizados es aproximadamente de **0,7 V** para el silicio.

El Transistor Polarizado: Electrones del Emisor

El **emisor** está **fuertemente dopado**; su función es emitir o inyectar electrones hacia la base. La **base** es muy estrecha y tiene un **dopado muy pobre**, lo que permite que la mayor parte de los electrones inyectados por el emisor pasen hacia el colector. El nivel de dopado del **colector** es intermedio entre el de la base y el del emisor. El colector recibe su nombre porque **colecta** o recoge los electrones provenientes de la base.

Electrones en la Base

Si la **tensión base-emisor (VBE)** es mayor de **0,7 V** (para silicio), los electrones del emisor entran en la base (asumiendo que se cierra un interruptor de polarización). Estos electrones libres pueden circular en dos direcciones: una pequeña parte puede salir por la base a través de la resistencia **Rb** hacia el terminal positivo de la fuente, y la mayor parte puede circular hacia el colector. La **mayoría de los electrones** se dirigen hacia el colector. Esto se debe al **débil dopado de la base** y a que la base es **muy estrecha**, lo que minimiza la recombinación y permite que la mayoría de los electrones inyectados por el emisor alcancen el colector.

Transistor en Conmutación

Se refiere al funcionamiento del transistor cuando opera entre la **zona de corte** y la **zona de saturación**, y viceversa. En **saturación**, el transistor conduce plenamente (se comporta como un **cortocircuito** o interruptor cerrado). Cuando el transistor está en **corte** (interruptor abierto), no conduce corriente, y la tensión de salida es igual a la tensión de alimentación. Al cerrar el interruptor (activar el transistor), se establece una **corriente de base (Ib)**, lo que origina una **corriente de colector a emisor (Ic)**. En **saturación**, la tensión en la salida (VCE) será cercana a **0 V**, ya que el colector está prácticamente cortocircuitado con el emisor, que suele estar a masa. Además, en un diagrama de funcionamiento, se observa que la **corriente de base** y la **tensión del colector** están **desfasadas 180º**.

Configuraciones de Transistores

Base Común

Se dice que un transistor está en **configuración de base común** cuando el terminal de la **base** es común tanto al circuito de entrada como al de salida.

Emisor Común

Es la configuración donde el terminal del **emisor** es común a la entrada y a la salida. Mediante el circuito de entrada, se pueden variar las tensiones de polarización (VBB y VCC) para establecer diferentes tensiones y corrientes de operación. Al medir la **corriente de colector (Ic)** y la **tensión colector-emisor (Vce)** para diferentes valores de **corriente de base (Ib)**, se obtiene la **familia de curvas características** del transistor.

Tensiones y Potencias del Transistor

La **Ley de Kirchhoff de las Tensiones** establece que la suma algebraica de todas las tensiones a lo largo de una malla cerrada es igual a cero. Esta ley se aplica al circuito del colector para el análisis de polarización. El transistor, al operar, presenta una **disipación de potencia** en forma de **calor**.

Zonas de Funcionamiento del Transistor

• En la **familia de curvas características** del transistor, existen cuatro zonas o regiones principales, cada una con un comportamiento diferente:
• **Zona Activa**: Es la zona central donde el valor de **Vce** está comprendido típicamente entre 1 V y 40 V. Es la zona más importante, ya que representa el **funcionamiento normal** del transistor como amplificador. En esta zona, la unión emisor-base está **polarizada en directo** y la unión colector-base está **polarizada en inverso**.
• **Zona de Ruptura**: El transistor **nunca debe funcionar** en esta zona, ya que puede sufrir degradación y destrucción. Está delimitada por la **potencia máxima de disipación** del transistor.
• **Zona de Saturación**: Es la zona comprendida entre el eje de coordenadas y la parte ascendente de la curva, donde **Vce** está comprendido entre 0 V y 1 V. En esta zona, la unión colector-base **no está polarizada inversamente** (puede estar en directo o con muy baja tensión inversa).
• **Zona de Corte**: Corresponde a la curva inferior donde **Ib = 0**. Aunque en la realidad la corriente de colector es muy pequeña, a menudo se exagera en los diagramas para visualizar la zona donde el transistor **prácticamente no conduce**.

¿Qué es la Polarización?

La **polarización** consiste en aplicar las **corrientes y tensiones continuas adecuadas** a los distintos terminales del transistor, generalmente a partir de una única fuente de alimentación. La fuente VBB, utilizada para explicar el comportamiento básico, se integra en el circuito de polarización real.

Polarización del Emisor

Los sistemas de polarización que conectan directamente el terminal del emisor a masa o tierra presentan problemas de **estabilidad térmica** en su funcionamiento. Supongamos que la **corriente de colector (Ic)** aumenta debido a un incremento de la temperatura. Esto provoca que la **corriente de emisor (Ie)** también aumente. Este aumento en la corriente del colector incrementa la **potencia de disipación** del transistor, lo que a su vez eleva su temperatura, generando un nuevo aumento de Ie y, por ende, de Ic, repitiéndose este proceso de forma inestable (conocido como **embalamiento térmico**). Al conectar una **resistencia en el emisor (RE)**, este fenómeno se mitiga. Si Ie aumenta por efecto de la temperatura, la **tensión en RE (VRE)** también aumenta. Esto se traduce en una disminución de la **tensión base-emisor (VBE)**, lo que a su vez provoca una disminución de la corriente de base y, consecuentemente, de la corriente de colector, estabilizando el punto de operación.

Otros Dispositivos Semiconductores

Tiristor

La **puerta (gate)** de un tiristor se comporta aproximadamente como un diodo, por esta razón, se necesitan al menos **0,7 V** para disparar un tiristor. Las hojas de datos (datasheets) especifican el **voltaje de disparo (VGT)** y la **corriente de disparo (IGT)**. Para **apagar** (abrir) un tiristor, la corriente que lo atraviesa debe disminuir por debajo de la **corriente de mantenimiento (IH)**. Es importante destacar que un tiristor permanece en estado de **bloqueo** (abierto) hasta que un **disparo** (impulso) excita su puerta. Una vez disparado, se **cierra** (se hace conductor) y permanece en este estado, incluso si el impulso de disparo desaparece. La única forma de **apagar** o bloquear un tiristor es reduciendo la corriente que lo atraviesa por debajo de la corriente de mantenimiento.

Conmutador Controlado de Silicio (SCS)

Es una variante del **SCR (Rectificador Controlado de Silicio)**. Este dispositivo es de **baja potencia** comparado con el SCR, ya que normalmente maneja corrientes que no superan el amperio. Un disparo con **polarización directa** en cualquiera de sus puertas cierra el SCS (lo hace conductor). Del mismo modo, un disparo con **polarización inversa** lo abrirá (lo llevará al estado de bloqueo).

MOSFET

También posee tres terminales: una **fuente (source)** o surtidor, una **puerta (gate)** y un **drenador (drain)**. A diferencia del **JFET**, la puerta del MOSFET está **aislada eléctricamente** del canal, por lo que la **corriente de puerta (IG)** es extremadamente pequeña, independientemente de si la tensión de puerta es positiva o negativa. Al MOSFET también se le conoce como **IGFET (Transistor de Efecto de Campo de Puerta Aislada)**. Existen dos tipos principales:

• **Modo de Empobrecimiento** (menos común).
• **Modo de Enriquecimiento** (más común).

MOSFET de Empobrecimiento

Consiste en un canal de material tipo **N** con una región de drenador a la derecha y una puerta aislada a la izquierda. Los **electrones libres** pueden circular desde el **surtidor** hasta el **drenador** a través del material tipo **N**. La región tipo **P** se denomina **sustrato**. Los electrones que circulan desde el surtidor hacia el drenador deben pasar por el **estrecho canal** entre la puerta y el sustrato tipo P. Una capa delgada de **dióxido de silicio (SiO2)** se deposita sobre el canal. El dióxido de silicio es un **aislante**, y la puerta es metálica. Debido a que la puerta está aislada del canal, la **corriente de puerta (IG)** es despreciable, incluso cuando la **tensión de puerta (VG)** es positiva. En otras palabras, las uniones o diodos puerta-fuente y puerta-drenador han sido eliminados en el MOSFET. Consideremos un MOSFET de empobrecimiento con una **tensión de puerta negativa**. La alimentación **Vdd** fuerza la circulación de electrones desde el surtidor al drenador a través del canal. Cuanto más negativa sea la tensión de puerta, más pequeño será el canal y, por lo tanto, menor será la corriente hacia el drenador. Si la tensión de puerta es muy negativa, el canal se **estrangula** y la **corriente de drenador (ID)** se interrumpe (punto de corte). Dado que la puerta está aislada eléctricamente del canal, también podemos aplicar una **tensión positiva** a la puerta. Esta tensión incrementa el **número de electrones libres** que circulan por el canal. Cuanto más positiva sea la tensión de puerta, mayor será la conducción desde el surtidor hasta el drenador.

MOSFET de Enriquecimiento

En este tipo de MOSFET, **no existe un canal preformado** entre el surtidor y el drenador. ¿Cómo funciona? Bajo polarización normal, cuando la **tensión de puerta (VG)** es nula, la alimentación **Vdd** intenta forzar el paso de electrones libres desde el surtidor hacia el drenador. Sin embargo, el sustrato tipo **P** solo posee algunos electrones libres (portadores minoritarios). Por esta razón, este MOSFET está **normalmente apagado** (en corte) cuando la tensión de puerta es nula, lo cual es una diferencia fundamental con los MOSFET de empobrecimiento. Cuando la **puerta** se polariza con una **tensión lo suficientemente positiva**, atrae a los electrones libres de la región tipo P (sustrato). Estos electrones se acumulan en la superficie del sustrato, justo debajo de la capa de **dióxido de silicio**. Si la tensión de puerta aumenta, llegará un momento en que se forma una capa de electrones libres en la superficie del sustrato, creando un **canal conductor** entre el surtidor y el drenador, permitiendo que los electrones libres empiecen a circular. Este efecto es idéntico a crear una delgada lámina de material tipo **N** próxima al dióxido de silicio, y se le denomina **capa de inversión**.

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