19 Sep
Introducción a la Electrónica y la Era del Semiconductor
Este documento aborda preguntas fundamentales sobre la evolución y los principios básicos de la electrónica, centrándose en los semiconductores y los diodos, componentes esenciales en la tecnología moderna.
Historia y Evolución de la Amplificación
¿Cómo se realizaba la amplificación de señales hasta 1940?
Hasta 1940, la amplificación de señales se lograba principalmente mediante el uso de válvulas termoiónicas (tubos de vacío). La amplificación basada en componentes de estado sólido, como el transistor bipolar, apareció posteriormente.
¿Cuándo apareció el primer transistor y el primer circuito integrado?
El primer transistor apareció a finales de la década de 1940 (específicamente en 1947). El primer circuito integrado (CI) fue desarrollado en 1959.
¿Qué permitió la aparición de estos últimos?
La aparición del transistor y, posteriormente, del circuito integrado, permitió la miniaturización de los circuitos electrónicos y un aumento significativo en la densidad de integración, abriendo nuevas posibilidades para el desarrollo tecnológico.
¿Qué ha permitido la aparición de los semiconductores?
La aparición de los materiales semiconductores ha sido fundamental para el desarrollo de una vasta gama de componentes electrónicos, incluyendo diodos, transistores, tiristores y muchos otros dispositivos de estado sólido que forman la base de la electrónica moderna.
Fundamentos de los Semiconductores
Conceptos Básicos
¿Qué es un diodo y cuál es su aplicación fundamental?
Un diodo es un elemento semiconductor que permite la circulación de la corriente eléctrica en un sentido único. Su aplicación fundamental es la rectificación, es decir, son capaces de convertir la corriente alterna (CA) en corriente continua (CC).
¿Qué es un semiconductor? Cite algunos ejemplos.
Un semiconductor es un material cuya conductividad eléctrica se encuentra en un punto intermedio entre la de un conductor y la de un aislante. Algunos ejemplos comunes son el selenio, el germanio y el silicio.
¿Cómo se consigue que un semiconductor se convierta en un elemento conductor?
Para que un semiconductor se convierta en un elemento conductor, se realiza un proceso llamado dopaje, que consiste en la adición controlada de átomos de impureza a su estructura molecular. Esto modifica sus propiedades eléctricas.
Atómicamente, ¿qué caracteriza al silicio? ¿Cómo es eléctricamente?
Atómicamente, el silicio se caracteriza por tener una estructura cristalina tetravalente, con cuatro electrones de valencia. En su estado puro y a temperatura ambiente, es eléctricamente un aislante.
Tipos de Semiconductores Dopados
¿Cómo se forma un cristal de silicio de tipo N? Describa.
Un cristal de silicio de tipo N se forma al introducir impurezas pentavalentes (átomos con cinco electrones de valencia, como el fósforo o el arsénico) en el silicio puro. Estos átomos donan un electrón libre adicional a la red cristalina, aumentando la conductividad y haciendo que los electrones sean los portadores mayoritarios.
¿Cómo se forma un cristal de silicio de tipo P? Describa.
Un cristal de silicio de tipo P se forma al introducir impurezas trivalentes (átomos con tres electrones de valencia, como el boro o el galio) en el silicio puro. Estos átomos aceptan un electrón de la red, creando un «hueco» o deficiencia de electrón. Los huecos son los portadores mayoritarios en este tipo de semiconductor.
El Diodo de Unión PN
Formación y Polarización
¿Cómo se forma un diodo de unión?
Un diodo de unión PN se forma uniendo un cristal de silicio (o germanio) de tipo P con un cristal de tipo N. Esta unión crea una región de transición con propiedades eléctricas únicas.
¿Qué ocurre en la zona de unión de los dos cristales?
En la zona de unión de los dos cristales (la unión PN), se forma una zona de agotamiento (o región de carga espacial) y una barrera de potencial. Esta barrera se debe a la recombinación de electrones y huecos cerca de la unión, creando iones fijos que impiden el flujo libre de portadores.
Explique cómo se polariza un diodo para que haya corriente eléctrica. ¿Cómo se llama dicha polarización?
Para que un diodo conduzca corriente eléctrica, debe polarizarse directamente. Esto significa aplicar una tensión positiva al lado P (ánodo) y una tensión negativa al lado N (cátodo). Cuando la tensión aplicada supera la tensión umbral (o tensión de barrera, aproximadamente 0.7 V para silicio), la barrera de potencial se reduce y permite el flujo significativo de corriente.
Explique qué ocurre cuando se polariza al contrario. ¿Cómo se llama dicha polarización?
Cuando un diodo se polariza inversamente, se aplica una tensión negativa al lado P y una positiva al lado N. Esto aumenta la barrera de potencial y ensancha la zona de agotamiento, impidiendo el flujo de corriente. Solo una pequeña corriente de fuga (o corriente inversa de saturación) circula en esta condición, la cual es despreciable en la mayoría de las aplicaciones.
Características y Limitaciones del Diodo
¿Para qué se diseña un diodo?
Un diodo se diseña para trabajar óptimamente dentro de unas condiciones nominales de tensión y corriente específicas, garantizando su correcto funcionamiento y durabilidad.
¿Qué provoca la destrucción de un diodo?
La destrucción de un diodo puede ser provocada por dos causas principales:
- Exceder la tensión inversa de ruptura (tensión Zener), lo que causa una avalancha de corriente y daño permanente.
- Exceder la potencia máxima nominal que puede disipar, lo que lleva a un sobrecalentamiento y fallo térmico.
¿De qué depende el calor que puede disipar un diodo?
El calor que puede disipar un diodo depende directamente de la potencia a la que trabaja. Esta potencia se calcula como el producto de la corriente que lo atraviesa por la caída de tensión en sus terminales (P = VD * ID).
¿Cómo se calcula la corriente en un diodo polarizado directamente en un circuito serie?
En un circuito serie con un diodo polarizado directamente y una resistencia en serie (RS), la intensidad de corriente (IF) se puede calcular aproximadamente mediante la siguiente fórmula, asumiendo una fuente de tensión V y una caída de tensión directa en el diodo VF:
IF = (V - VF) / RS
Si se produce más potencia de la que el diodo es capaz de disipar, ¿qué sucede?
Si la potencia generada en el diodo es superior a su capacidad de disipación, su temperatura aumentará excesivamente, lo que puede llevar a un fallo térmico y, finalmente, a su destrucción o derretimiento.
Comportamiento del Diodo en Circuitos
Descripción del símbolo del diodo y su polarización
El símbolo esquemático de un diodo consiste en un triángulo (ánodo, lado P) apuntando hacia una línea vertical (cátodo, lado N). La corriente convencional fluye del ánodo al cátodo cuando está polarizado directamente.
Indique cómo está polarizado el diodo en un circuito y si circulará corriente (ejemplo de polarización directa).
Si el ánodo del diodo está conectado a un potencial más positivo que el cátodo (y la diferencia de potencial supera la tensión umbral), el diodo está polarizado directamente y sí circulará corriente.
Indique cómo está polarizado el diodo en un circuito y si circulará corriente (ejemplo de polarización inversa).
Si el ánodo del diodo está conectado a un potencial más negativo que el cátodo, el diodo está polarizado inversamente. En esta condición, no circulará corriente significativa, comportándose como un circuito abierto (excepto por la pequeña corriente de fuga).
Descripción de la curva característica de funcionamiento de un diodo (polarización directa e inversa).
La curva característica I-V de un diodo muestra que en polarización directa, la corriente es casi nula hasta alcanzar la tensión umbral (VF), a partir de la cual la corriente aumenta exponencialmente. En polarización inversa, la corriente es prácticamente cero (solo la corriente de fuga) hasta que se alcanza la tensión de ruptura inversa (VBR), donde la corriente aumenta drásticamente y puede destruir el diodo.
Diodos Especiales y Optoelectrónica
Diodo Emisor de Luz (LED)
¿Qué es un diodo LED? ¿Cuáles son sus características principales?
Un diodo LED (Light Emitting Diode) es un diodo semiconductor que emite luz cuando se polariza directamente. Está fabricado mediante la unión de dos cristales semiconductores PN, pero con materiales específicos que permiten la emisión de fotones.
Sus características principales son:
- Tensión Directa (VF): Es la caída de tensión entre los extremos del LED cuando fluye la corriente directa. Varía típicamente entre 1.5 V y 3.5 V, dependiendo del color y material.
- Corriente de Excitación Directa (IF): Es la corriente que debe circular por el LED para alcanzar la intensidad luminosa deseada.
- Corriente Inversa (IR): Es la máxima corriente que puede fluir por el LED cuando se le aplica una tensión de polarización inversa sin dañarlo.
- Disipación de Potencia: Es la parte de la potencia eléctrica que el LED no convierte en luz y que se degrada en calor, el cual debe ser evacuado para evitar el sobrecalentamiento.
Fotodiodo
¿Qué es un fotodiodo? ¿Cuál es su aplicación fundamental?
Un fotodiodo es un diodo semiconductor diseñado para ser sensible a las radiaciones luminosas. Cuando la luz incide sobre él, aumenta la corriente inversa que lo atraviesa. Su aplicación fundamental es transformar una magnitud luminosa en una señal eléctrica.
Optoacoplador
¿Cómo está formado un optoacoplador?
Un optoacoplador (o optoaislador) es un dispositivo que combina un diodo emisor de luz (LED) y un fotodetector (generalmente un fototransistor o un fotodiodo) dentro de un mismo encapsulado, sin conexión eléctrica directa entre ellos.
Explique su funcionamiento.
El funcionamiento de un optoacoplador se basa en el aislamiento eléctrico entre dos circuitos. La señal de entrada se aplica al LED interno, que genera una intensidad luminosa proporcional a la corriente de entrada. Esta radiación luminosa incide en el fotodetector, el cual, a su vez, genera una corriente en la salida que es proporcional a la luz recibida. De esta manera, se logra una transferencia de señal sin contacto eléctrico, proporcionando un aislamiento galvánico entre la entrada y la salida.
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