Dispositivos semiconductores - Guía rápida

Se ve ampliamente que la distancia de un núcleo al electrón de un átomo en particular no es igual. Normalmente, los electrones giran en una órbita bien definida. Un número particular de electrones solo puede mantenerse en la capa exterior u órbita. La conductividad eléctrica de un átomo está influenciada principalmente por los electrones de la capa exterior. Estos electrones tienen mucho que ver con la conductividad eléctrica.

Conductores y aislantes

La conducción eléctrica es el resultado de un movimiento irregular o incontrolado de electrones. Estos movimientos hacen que ciertos átomos sean buenoselectrical conductors. Un material con ese tipo de átomos tiene muchos electrones libres en su capa exterior u órbita.

Comparativamente, un insulating materialtiene un número relativamente pequeño de electrones libres. En consecuencia, los electrones de la capa exterior de los aisladores tienden a mantener su lugar firmemente y apenas permiten que fluya corriente a través de ellos. Por lo tanto, en un material aislante, tiene lugar muy poca conductividad eléctrica.

Semiconductores

Entre conductores y aisladores, hay una tercera clasificación de átomos (material) conocida como semiconductores. Generalmente, la conductividad de un semiconductor se encuentra entre las conductividades de los metales y los aislantes. Sin embargo, a temperatura de cero absoluto, el semiconductor también actúa como un aislante perfecto.

Silicon y germaniumson los elementos semiconductores más familiares. El óxido de cobre, el sulfuro de cadmio y el arseniuro de galio son algunos otros compuestos semiconductores que se utilizan con frecuencia. Este tipo de material se clasifica generalmente como elementos de tipo IVB. Estos átomos tienen cuatro electrones de valencia. Si pueden ceder cuatro electrones de valencia, se puede lograr la estabilidad. También se puede lograr aceptando cuatro electrones.

Estabilidad de un átomo

El concepto de estabilidad de un átomo es un factor importante en el estado de los materiales semiconductores. El número máximo de electrones en la banda de valencia es 8. Cuando hay exactamente 8 electrones en la banda de valencia, se puede decir que el átomo es estable. en unstable atom, el enlace de los electrones de valencia es muy rígido. Este tipo de átomos son excelentes aislantes. En tales átomos, los electrones libres no están disponibles para la conductividad eléctrica.

Ejemplos de elementos estabilizados son gases como argón, xenón, neón y criptón. Debido a sus propiedades, estos gases no se pueden mezclar con otro material y generalmente se conocen comoinert gases.

Si el número de electrones de valencia en la capa exterior es menor de 8, entonces se dice que el átomo es inestable, es decir, los átomos que tienen menos de 8 electrones de valencia son inestables. Siempre intentan tomar prestados o donar electrones de los átomos vecinos para estabilizarse. Los átomos de la capa exterior con 5, 6 o 7 electrones de valencia tienden a tomar prestados electrones de otros átomos para buscar estabilidad, mientras que los átomos con uno, dos o tres electrones de valencia tienden a liberar estos electrones a otros átomos cercanos.

Todo lo que tenga peso es materia. Según la teoría del átomo, toda la materia, ya sea sólida, líquida o gaseosa, está compuesta de átomos. Un átomo contiene una parte central llamada núcleo, que contiene los neutrones y los protones. Normalmente, los protones son partículas con carga positiva y los neutrones son partículas con carga neutra. Los electrones que son partículas cargadas negativamente están dispuestos en órbitas alrededor del núcleo de una manera similar a la matriz de planetas alrededor del Sol. La siguiente figura muestra la composición de un átomo.

Se encuentra que los átomos de diferentes elementos tienen diferente número de protones, neutrones y electrones. Para distinguir un átomo de otro o para clasificar los diversos átomos, se asigna un número que indica el número de protones en el núcleo de un átomo dado, a los átomos de cada elemento identificado. Este número se conoce comoatomic numberdel elemento. Los números atómicos de algunos de los elementos asociados al estudio de los semiconductores se dan en la siguiente tabla.

Elemento	Símbolo	Número atómico
Silicio	Si	14
Germanio	Ge	32
Arsénico	Como	33
Antimonio	Sb	51
Indio	En	49
Galio	Georgia	31
Boro	segundo	5

Normalmente, un átomo tiene el mismo número de protones y electrones planetarios para mantener su carga neta en cero. Los átomos se combinan con frecuencia para formar moléculas o compuestos estabilizados a través de sus electrones de valencia disponibles.

El proceso de combinación de electrones de valencia libres se denomina generalmente bonding. A continuación se muestran los diferentes tipos de enlaces que tienen lugar en combinaciones de átomos.

• Enlace iónico
• Unión covalente
• Unión metálica

Analicemos ahora en detalle sobre estos enlaces atómicos.

Enlace iónico

Cada átomo busca estabilidad cuando los átomos se unen para formar moléculas. Cuando la banda de valencia contiene 8 electrones, se dice que es unstabilized condition. Cuando los electrones de valencia de un átomo se combinan con los de otro átomo para estabilizarse, se llamaionic bonding.

• Si un átomo tiene más de 4 electrones de valencia en la capa exterior, está buscando electrones adicionales. A este átomo se le suele llamaracceptor.

• Si algún átomo contiene menos de 4 electrones de valencia en la capa exterior, intentará salir de estos electrones. Estos átomos se conocen comodonors.

En el enlace iónico, los átomos donantes y aceptores se combinan con frecuencia y la combinación se estabiliza. La sal común es un ejemplo común de enlace iónico.

Las siguientes figuras ilustran un ejemplo de átomos independientes y enlaces iónicos.

Se puede ver en la figura anterior que el átomo de sodio (Na) dona su 1 electrón de valencia al átomo de cloruro (Cl) que tiene 7 electrones de valencia. El átomo de cloruro inmediatamente se desequilibra negativamente cuando obtiene el electrón extra y esto hace que el átomo se convierta en un ion negativo. Mientras que, por otro lado, el átomo de sodio pierde su electrón de valencia y el átomo de sodio se convierte en un ion positivo. Como sabemos, las cargas diferentes se atraen, los átomos de sodio y cloruro están unidos por una fuerza electrostática.

Unión covalente

Cuando los electrones de valencia de los átomos vecinos se comparten con otros átomos, se produce un enlace covalente. En el enlace covalente, no se forman iones. Esta es una diferencia única en el enlace covalente y el enlace iónico.

Cuando un átomo contiene cuatro electrones de valencia en la capa exterior, puede compartir un electrón con cuatro átomos vecinos. Se establece una fuerza covalente entre los dos electrones de enlace. Estos electrones cambian alternativamente las órbitas entre los átomos. Esta fuerza covalente une a los átomos individuales. En las siguientes figuras se muestra una ilustración del enlace covalente.

En esta disposición, solo se muestran el núcleo y los electrones de valencia de cada átomo. Los pares de electrones se crean debido a que los átomos individuales están unidos entre sí. En este caso, se necesitan cinco átomos para completar la acción de enlace. El proceso de unión se amplía en todas direcciones. Cada átomo está ahora unido en una red de celosía y esta red de celosía forma una estructura cristalina.

Unión metálica

El tercer tipo de unión generalmente ocurre en buenos conductores eléctricos y se denomina unión metálica. En la unión metálica, existe una fuerza electrostática entre los iones positivos y los electrones. Por ejemplo, la banda de valencia del cobre tiene un electrón en su capa exterior. Este electrón tiene tendencia a deambular por el material entre diferentes átomos.

Cuando este electrón sale de un átomo, entra instantáneamente en la órbita de otro átomo. El proceso es repetitivo sin parar. Un átomo se convierte en un ion positivo cuando un electrón lo abandona. Esto es unrandom process. Significa que un electrón siempre está vinculado a un átomo. No significa que el electrón esté asociado con una órbita en particular. Siempre está deambulando en diferentes órbitas. Como consecuencia, es probable que todos los átomos compartan todos los electrones de valencia.

Los electrones cuelgan en una nube que cubre los iones positivos. Esta nube flotante une los electrones al azar a los iones. La siguiente figura muestra un ejemplo de la unión metálica del cobre.

El número de electrones en el anillo exterior de un átomo sigue siendo la razón de la diferencia entre conductores y aislantes. Como sabemos, los materiales sólidos se utilizan principalmente en dispositivos eléctricos para lograr la conducción de electrones. Estos materiales se pueden separar en conductores, semiconductores y aislantes.

Sin embargo, los conductores, semiconductores y aisladores se diferencian por diagramas de niveles de energía. Aquí se contabilizará la cantidad de energía necesaria para hacer que un electrón abandone su banda de valencia y entre en conducción. El diagrama es una composición de todos los átomos dentro del material. Los diagramas de niveles de energía de aisladores, semiconductores y conductores se muestran en la siguiente figura.

Banda de valencia

La parte inferior es la valence band. Representa los niveles de energía más cercanos al núcleo del átomo y los niveles de energía en la banda de la cenefa contienen el número correcto de electrones necesarios para equilibrar la carga positiva del núcleo. Por lo tanto, esta banda se llamafilled band.

En la banda de valencia, los electrones están estrechamente unidos al núcleo. Moviéndose hacia arriba en el nivel de energía, los electrones se unen más ligeramente en cada nivel sucesivo hacia el núcleo. No es fácil perturbar los electrones en los niveles de energía más cercanos al núcleo, ya que su movimiento requiere energías más grandes y cada órbita de electrones tiene un nivel de energía distinto.

Banda de conducción

La banda superior o más externa del diagrama se llama conduction band. Si un electrón tiene un nivel de energía, que se encuentra dentro de esta banda, y es relativamente libre de moverse en el cristal, entonces conduce corriente eléctrica.

En la electrónica de semiconductores, nos ocupamos principalmente de las bandas de valencia y conducción. A continuación se muestra información básica al respecto:

• La banda de valencia de cada átomo muestra los niveles de energía de los electrones de valencia en la capa exterior.

• Se debe agregar una cantidad definida de energía a los electrones de valencia para hacer que entren en la banda de conducción.

Espacio prohibido

Las bandas de valencia y conducción están separadas por un espacio, dondequiera que exista, llamado espacio prohibido. Para cruzar la brecha prohibida se necesita una determinada cantidad de energía. Si es insuficiente, los electrones no se liberan para la conducción. Los electrones permanecerán en la banda de valencia hasta que reciban energía adicional para cruzar el espacio prohibido.

El estado de conducción de un material en particular se puede indicar por el ancho del espacio prohibido. En teoría atómica, el ancho del espacio se expresa en electronvoltios (eV). Un electrón voltio se define como la cantidad de energía ganada o perdida cuando un electrón se somete a una diferencia de potencial de 1 V. Los átomos de cada elemento tienen un valor de nivel de energía diferente que permite la conducción.

Tenga en cuenta que el forbidden regionde un aislante es relativamente ancho. Hacer que un aislante entre en conducción requerirá una gran cantidad de energía. Por ejemplo, Thyrite.

Si los aisladores funcionan a altas temperaturas, el aumento de la energía térmica hace que los electrones de la banda de valencia se muevan hacia la banda de conducción.

Como se desprende del diagrama de bandas de energía, el espacio prohibido de un semiconductor es mucho más pequeño que el de un aislante. Por ejemplo, el silicio necesita ganar 0,7 eV de energía para entrar en la banda de conducción. A temperatura ambiente, la adición de energía térmica puede ser suficiente para provocar la conducción en un semiconductor. Esta característica particular es de gran importancia en los dispositivos electrónicos de estado sólido.

En el caso de un conductor, la banda de conducción y la banda de valencia se superponen parcialmente entre sí. En cierto sentido, no hay ningún espacio prohibido. Por lo tanto, los electrones de la banda de valencia pueden liberarse para convertirse en electrones libres. Normalmente, a temperatura ambiente normal, se produce poca conducción eléctrica dentro del conductor.

Como se discutió anteriormente, puede haber uno o más electrones libres por átomo que se mueven por todo el interior del metal bajo la influencia de un campo aplicado.

La siguiente figura muestra la distribución de carga dentro de un metal. Es conocido como elelectron-gas description of a metal.

los hashed regionrepresenta el núcleo con carga positiva. Los puntos azules representan los electrones de valencia en la capa exterior de un átomo. Básicamente, estos electrones no pertenecen a ningún átomo específico y, como resultado, han perdido su identidad individual y deambulan libremente átomo a átomo.

Cuando los electrones están en un movimiento ininterrumpido, la dirección de transporte cambia en cada colisión con los iones pesados. Esto se basa en la teoría de electrones y gases de un metal. La distancia promedio entre colisiones se llamamean free path. Los electrones, que pasan a través de una unidad de área, en el metal en la dirección opuesta en un tiempo dado, de manera aleatoria, hacen que la corriente promedio sea cero.

Cuando se aplica voltaje a los dispositivos semiconductores, la corriente de electrones fluye hacia el lado positivo de la fuente y la corriente de los huecos fluye hacia el lado negativo de la fuente. Tal situación ocurre solo en un material semiconductor.

El silicio y el germanio son los materiales semiconductores más comunes. Generalmente, la conductividad de un semiconductor se encuentra entre las conductividades de los metales y los aislantes.

Germanio como semiconductor

A continuación se presentan algunos puntos importantes sobre Germanium -

• Hay cuatro electrones en la órbita más externa del germanio. En los enlaces, los átomos se muestran solo con sus electrones externos.

• Los átomos de germanio compartirán electrones de valencia en un enlace covalente. Esto se muestra en la siguiente figura. El germanio son los que están asociados con el enlace covalente. La forma cristalina del germanio se llama redes cristalinas. Este tipo de estructura tiene los átomos dispuestos de la forma que se muestra en la siguiente figura.

• En tal disposición, los electrones se encuentran en un estado muy estable y, por lo tanto, son menos apropiados para asociarse con conductores. En su forma pura, el germanio es un material aislante y se denomina comointrinsic semiconductor.

La siguiente figura muestra las estructuras atómicas de silicio y germanio.

Silicio como semiconductor

Los dispositivos semiconductores también utilizan silicio en la fabricación de varios componentes electrónicos. La estructura atómica del silicio y el germanio se muestra en la figura anterior. La estructura de la red cristalina del silicio es similar a la del germanio.

A continuación se presentan algunos de los puntos importantes sobre el silicio:

• Tiene cuatro electrones en su capa más externa como el germanio.

• En forma pura, no sirve como dispositivo semiconductor.

• Puede obtenerse la cantidad deseada de conductividad sumando impurezas.

• La adición de impurezas debe hacerse con cuidado y en un ambiente controlado.

• Dependiendo del tipo de impureza agregada, creará un exceso o un déficit de electrones.

La siguiente figura muestra el cristal intrínseco de silicio.

El silicio puro o el germanio rara vez se utilizan como semiconductores. Los semiconductores prácticamente utilizables deben tener una cantidad controlada de impurezas añadidas. La adición de impurezas cambiará la capacidad del conductor y actúa como semiconductor. El proceso de agregar una impureza a un material intrínseco o puro se llamadoping y la impureza se llama dopant. Después del dopaje, un material intrínseco se convierte en material extrínseco. Prácticamente solo después del dopaje estos materiales se vuelven utilizables.

Cuando se agrega una impureza al silicio o al germanio sin modificar la estructura cristalina, se produce un material de tipo N. En algunos átomos, los electrones tienen cinco electrones en su banda de valencia, como el arsénico (As) y el antimonio (Sb). El dopaje de silicio con cualquier impureza no debe cambiar la estructura cristalina ni el proceso de unión. El electrón extra del átomo de impureza no participa en un enlace covalente. Estos electrones están débilmente unidos por sus átomos originarios. La siguiente figura muestra la alteración del cristal de silicio con la adición de un átomo de impureza.

Efecto del dopaje sobre material tipo N

El efecto del dopaje en un material tipo N es el siguiente:

• Al agregar arsénico al silicio puro, el cristal se convierte en un material de tipo N.

• El átomo de arsénico tiene electrones adicionales o cargas negativas que no participan en el proceso de enlace covalente.

• Estas impurezas ceden o donan un electrón al cristal y se denominan impurezas donantes.

• Un material de tipo N tiene electrones libres o adicionales que un material intrínseco.

• Un material de tipo N no tiene carga negativa. En realidad, todos sus átomos son eléctricamente neutros.

• Estos electrones adicionales no participan en el proceso de enlace covalente. Son libres de moverse a través de la estructura cristalina.

• Un cristal de silicio extrínseco tipo N entrará en conducción con solo 0.005eV de energía aplicada.

• Solo se requieren 0,7 eV para mover electrones de cristal intrínseco desde la banda de valencia a la banda de conducción.

Normalmente, se considera que los electrones son los portadores de corriente mayoritarios en este tipo de cristal y los huecos son los portadores de corriente minoritarios. La cantidad de material donante agregado al silicio determina el número de portadores actuales mayoritarios en su estructura.

El número de electrones en un silicio de tipo N es muchas veces mayor que los pares de electrones y huecos del silicio intrínseco. A temperatura ambiente, existe una marcada diferencia en la conductividad eléctrica de este material. Hay abundantes portadores de corriente para participar en el flujo de corriente. El flujo de corriente se logra principalmente mediante electrones en este tipo de material. Por tanto, un material extrínseco se convierte en un buen conductor eléctrico.

Efecto del dopaje sobre material tipo P

El efecto del dopaje en un material tipo P es el siguiente:

• Cuando se agrega indio (In) o galio (Ga) al silicio puro, se forma un material tipo P.

• Este tipo de material dopante tiene tres electrones de valencia. Están buscando ansiosamente un cuarto electrón.

• En material tipo P, cada agujero se puede llenar con un electrón. Para llenar este área de huecos, los electrones de los grupos unidos covalentes vecinos requieren muy menos energía.

• El silicio se dopa típicamente con material de dopaje en el rango de 1 a 106. Esto significa que el material P tendrá muchos más huecos que los pares de electrones y huecos de silicio puro.

• A temperatura ambiente, existe una diferencia característica muy determinada en la conductividad eléctrica de este material.

La siguiente figura muestra cómo se altera la estructura cristalina del silicio cuando se dopa con un elemento aceptor, en este caso, indio. Una pieza de material P no tiene carga positiva. Sus átomos son principalmente todos eléctricamente neutros.

Sin embargo, existen huecos en la estructura covalente de muchos grupos de átomos. Cuando un electrón entra y llena un agujero, el agujero se vacía. Se crea un nuevo agujero en el grupo unido donde salió el electrón. En efecto, el movimiento del agujero es el resultado del movimiento de los electrones. Un material tipo P entrará en conducción con solo 0.05 eV de energía aplicada.

La figura anterior muestra cómo responderá un cristal tipo P cuando se conecte a una fuente de voltaje. Tenga en cuenta que hay más huecos que electrones. Cuando se aplica voltaje, los electrones se atraen al terminal positivo de la batería.

Los agujeros se mueven, en cierto sentido, hacia el terminal negativo de la batería. En este punto se recoge un electrón. El electrón llena inmediatamente un agujero. Entonces, el agujero se vuelve vacío. Al mismo tiempo, el terminal positivo de la batería extrae un electrón del material. Por lo tanto, los agujeros se mueven hacia el terminal negativo debido a que los electrones se desplazan entre diferentes grupos unidos. Con la energía aplicada, el flujo del pozo es continuo.

Una estructura cristalina hecha de materiales P y N se conoce generalmente como junction diode. Generalmente se lo considera un dispositivo de dos terminales. Como se muestra en el siguiente diagrama, un terminal está conectado al material tipo P y el otro al material tipo N.

El punto de enlace común donde se conectan estos materiales se llama junction. Un diodo de unión permite que los portadores de corriente fluyan en una dirección y obstruyan el flujo de corriente en la dirección inversa.

La siguiente figura muestra la estructura cristalina de un diodo de unión. Observe la ubicación de los materiales tipo P y tipo N con respecto a la unión. La estructura del cristal es continua de un extremo al otro. La unión actúa solo como un punto de separación que representa el final de un material y el comienzo del otro. Tal estructura permite que los electrones se muevan completamente en toda la estructura.

El siguiente diagrama muestra dos porciones de sustancia semiconductora antes de que se formen en una unión PN. Como se especifica, cada parte del material tienemajority y minority current carriers.

La cantidad de símbolos de portadores que se muestran en cada material indica la función de minoría o mayoría. Como sabemos, los electrones son los portadores mayoritarios en el material de tipo N y los huecos son los portadores minoritarios. En el material de tipo P, los huecos son los portadores mayoritarios y los electrones son la minoría.

Inicialmente, cuando se forma un diodo de unión, existe una interacción única entre los portadores de corriente. En el material de tipo N, los electrones se mueven fácilmente a través de la unión para llenar los agujeros en el material P. Este acto se llama comúnmentediffusion. La difusión es el resultado de una alta acumulación de portadores en un material y una menor concentración en el otro.

Generalmente, los portadores de corriente que se encuentran cerca de la unión solo participan en el proceso de difusión. Los electrones que salen del material N hacen que se generen iones positivos en su lugar. Al entrar en el material P para llenar los huecos, estos electrones crean iones negativos. Como resultado, cada lado de la unión contiene una gran cantidad de iones positivos y negativos.

El área donde estos huecos y electrones se agotan se conoce generalmente con el término región de agotamiento. Es un área en la que faltan operadores actuales mayoritarios. Normalmente, se desarrolla una región de agotamiento cuando se forma la unión PN. La siguiente figura muestra la región de agotamiento de un diodo de unión.

Los materiales de tipo N y P se consideran eléctricamente neutros antes de unirse en una unión común. Sin embargo, después de la unión, la difusión tiene lugar instantáneamente, ya que los electrones cruzan la unión para llenar los huecos y hacen que emerjan iones negativos en el material P, esta acción hace que el área cercana de la unión adquiera una carga negativa. Los electrones que salen del material N hacen que se generen iones positivos.

Todo este proceso, a su vez, hace que el lado N de la unión adquiera una carga neta positiva. Esta creación de carga en particular tiende a alejar los electrones restantes y los huecos de la unión. Esta acción hace que sea algo difícil para otros portadores de carga difundirse a través de la unión. Como resultado, la carga se acumula o el potencial de barrera emerge a través de la unión.

Como se muestra en la siguiente figura. El potencial de barrera resultante tiene una pequeña batería conectada a través de la unión PN. En la figura dada, observe la polaridad de esta barrera de potencial con respecto al material P y N. Este voltaje o potencial existirá cuando el cristal no esté conectado a una fuente externa de energía.

El potencial de barrera del germanio es de aproximadamente 0,3 V y el del silicio es de 0,7 V. Estos valores no se pueden medir directamente y aparecen en la región de carga espacial de la unión. Para producir la conducción de corriente, el potencial de barrera de una unión PN debe superarse mediante una fuente de voltaje externa.

El término sesgo se refiere a la aplicación de voltaje de CC para configurar ciertas condiciones de operación. O cuando se aplica una fuente externa de energía a una unión PN, se denomina voltaje de polarización o simplemente polarización. Este método aumenta o disminuye el potencial de barrera de la unión. Como resultado, la reducción del potencial de barrera hace que los portadores actuales regresen a la región de agotamiento. Las siguientes dos condiciones de polarización se aplican a las uniones PN.

• Forward Biasing - Se agrega una tensión externa de la misma polaridad al potencial de barrera, lo que provoca un aumento en el ancho de la región de agotamiento.

• Reverse Biasing - Una unión PN está polarizada de tal manera que la aplicación de la acción de voltaje externo evita que los portadores de corriente entren en la región de agotamiento.

Sesgo hacia adelante

La siguiente figura muestra un diodo de unión PN polarizado hacia adelante con voltaje externo aplicado. Puede ver que el terminal positivo de la batería está conectado al material P y el terminal negativo de la batería está conectado al material N.

A continuación se presentan las observaciones:

• Este voltaje de polarización repele la mayoría de los portadores de corriente de cada material de tipo P y N. Como resultado, comienzan a aparecer una gran cantidad de huecos y electrones en la unión.

• En el lado N de la unión, los electrones se mueven para neutralizar los iones positivos en la región de agotamiento.

• En el material del lado P, los electrones son arrastrados por los iones negativos, lo que hace que se vuelvan neutros nuevamente. Esto significa que la polarización directa colapsa la región de agotamiento y, por lo tanto, también el potencial de barrera. Significa que cuando la unión PN está polarizada hacia adelante, permitirá un flujo de corriente continuo.

La siguiente figura muestra el flujo de portadores de corriente de un diodo polarizado hacia adelante. Un suministro constante de electrones está disponible debido a una fuente de voltaje externa conectada al diodo. El flujo y la dirección de la corriente se muestran mediante flechas grandes fuera del diodo en el diagrama. Tenga en cuenta que el flujo de electrones y el flujo de corriente se refieren a lo mismo.

A continuación se presentan las observaciones:

• Suponga que los electrones fluyen a través de un cable desde el terminal negativo de la batería hasta el material N. Al entrar en este material, fluyen inmediatamente hacia el empalme.

• Del mismo modo, en el otro lado se extrae un número igual de electrones del lado P y se devuelven al terminal positivo de la batería. Esta acción crea nuevos agujeros y hace que se muevan hacia el cruce.

• Cuando estos huecos y electrones llegan a la unión, se unen y desaparecen efectivamente. Como resultado, surgen nuevos huecos y electrones en los extremos exteriores del diodo. Estos operadores mayoritarios se crean de forma continua. Esta acción continúa mientras se aplique la fuente de voltaje externa.

• Cuando el diodo está polarizado hacia adelante, se puede notar que los electrones fluyen a través de toda la estructura del diodo. Esto es común en el material tipo N, mientras que en el material P, los orificios son los portadores de corriente en movimiento. Observe que el movimiento del agujero en una dirección debe comenzar por el movimiento de los electrones en la dirección opuesta. Por lo tanto, el flujo de corriente total es la suma de huecos y los electrones fluyen a través de un diodo.

Sesgo inverso

La siguiente figura muestra un diodo de unión PN con polarización inversa con voltaje externo aplicado. Puede ver que el terminal positivo de la batería está conectado al material N y el terminal negativo de la batería está conectado al material P. Tenga en cuenta que en tal disposición, la polaridad de la batería es oponerse a la polaridad del material del diodo para que se atraigan cargas diferentes. Por lo tanto, la mayoría de los portadores de carga de cada material se alejan de la unión. La polarización inversa hace que el diodo no sea conductor.

La siguiente figura muestra la disposición de la mayoría de los portadores de corriente en un diodo de polarización inversa.

A continuación se presentan las observaciones:

• Debido a la acción del circuito, los electrones del material N son empujados hacia el terminal positivo de la batería.

• Cada electrón que se mueve o sale del diodo hace que emerja un ion positivo en su lugar. Como resultado, esto provoca un aumento equivalente en el ancho de la región de agotamiento en el lado N de la unión.

• El lado P del diodo tiene un efecto similar al del lado N. En esta acción, varios electrones salen del terminal negativo de la batería y entran en el material tipo P.

• Estos electrones se mueven de inmediato y llenan varios huecos. Cada agujero ocupado se convierte entonces en un ion negativo. Estos iones, a su vez, son repelidos por el terminal negativo de la batería y conducidos hacia la unión. Debido a esto, hay un aumento en el ancho de la región de agotamiento en el lado P de la unión.

El ancho total de la región de agotamiento depende directamente de una fuente de voltaje externa de un diodo con polarización inversa. En este caso, el diodo no puede soportar eficazmente el flujo de corriente a través de la amplia región de agotamiento. Como resultado, la carga potencial comienza a desarrollarse a través de la unión y aumenta hasta que el potencial de barrera es igual al voltaje de polarización externo. Después de esto, el diodo se comporta como no conductor.

Una limitación de conducción importante del diodo de unión PN es leakage current. Cuando un diodo tiene polarización inversa, aumenta el ancho de la región de agotamiento. Generalmente, esta condición es necesaria para restringir la acumulación de portadora actual cerca de la unión. La mayoría de los portadores de corriente se niegan principalmente en la región de agotamiento y, por lo tanto, la región de agotamiento actúa como aislante. Normalmente, los portadores de corriente no pasan por un aislante.

Se ve que en un diodo con polarización inversa, algo de corriente fluye a través de la región de agotamiento. Esta corriente se llama corriente de fuga. La corriente de fuga depende de los portadores de corriente minoritarios. Como sabemos, los portadores minoritarios son electrones en el material tipo P y huecos en el material tipo N.

La siguiente figura muestra cómo reaccionan los portadores de corriente cuando un diodo tiene polarización inversa.

A continuación se presentan las observaciones:

• Los portadores minoritarios de cada material son empujados a través de la zona de agotamiento hasta la unión. Esta acción provoca que se produzca una corriente de fuga muy pequeña. Generalmente, la corriente de fuga es tan pequeña que puede considerarse insignificante.

• Aquí, en caso de fuga de corriente, la temperatura juega un papel importante. Los portadores de corriente minoritarios dependen en su mayoría de la temperatura.

• A temperaturas ambiente de 25 ° C o 78 ° F, hay una cantidad insignificante de portadores minoritarios presentes en un diodo de polarización inversa.

• Cuando la temperatura circundante aumenta, provoca un aumento significativo en la creación de portadores minoritarios y, como resultado, provoca un aumento correspondiente en la corriente de fuga.

En todos los diodos con polarización inversa, la aparición de corriente de fuga es normal hasta cierto punto. En diodos de germanio y silicio, la corriente de fuga es solo de unos pocosmicroamperes y nanoamperes, respectivamente. El germanio es mucho más susceptible a la temperatura que el silicio. Por esta razón, la mayor parte del silicio se utiliza en dispositivos semiconductores modernos.

Existen diversas escalas de corriente para operaciones de polarización directa e inversa. La parte delantera de la curva indica que el diodo conduce simplemente cuando la región P se vuelve positiva y la región N negativa.

El diodo casi no conduce corriente en la dirección de alta resistencia, es decir, cuando Pregion se vuelve negativa y la región N se vuelve positiva. Ahora los huecos y los electrones se extraen de la unión, lo que hace que aumente el potencial de barrera. Esta condición está indicada por la porción de corriente inversa de la curva.

La sección de puntos de la curva indica la ideal curve, que resultaría si no fuera por una avalancha. La siguiente figura muestra la característica estática de un diodo de unión.

Características del DIODO IV

Las características de voltaje de corriente directa e inversa (IV) de un diodo generalmente se comparan en una sola curva característica. La figura que se muestra en la sección Característica de avance muestra que el voltaje de avance y el voltaje inverso generalmente se trazan en la línea horizontal del gráfico.

Los valores de corriente directa e inversa se muestran en el eje vertical del gráfico. Voltaje directo representado a la derecha y voltaje inverso a la izquierda. El punto de inicio o valor cero está en el centro del gráfico. La corriente directa se alarga por encima del eje horizontal con la corriente inversa extendiéndose hacia abajo.

Los valores combinados de voltaje directo y corriente directa se encuentran en la parte superior derecha del gráfico y voltaje inverso y corriente inversa en la esquina inferior izquierda. Normalmente se utilizan diferentes escalas para mostrar valores de avance y retroceso.

Característica de avance

Cuando un diodo está polarizado hacia adelante, conduce corriente (IF) en dirección hacia adelante. El valor de IF depende directamente de la cantidad de voltaje directo. La relación entre el voltaje directo y la corriente directa se denomina amperio-voltio o característica IV de un diodo. En la siguiente figura se muestra una característica típica de IV directo de diodo.

A continuación se presentan las observaciones:

• El voltaje directo se mide a través del diodo y la corriente directa es una medida de la corriente a través del diodo.

• Cuando el voltaje directo a través del diodo es igual a 0 V, la corriente directa (IF) es igual a 0 mA.

• Cuando el valor comienza desde el punto de inicio (0) del gráfico, si VF aumenta progresivamente en pasos de 0,1 V, IF comienza a aumentar.

• Cuando el valor de VF es lo suficientemente grande para superar el potencial de barrera de la unión PN, se produce un aumento considerable de IF. El punto en el que esto ocurre a menudo se llama voltaje de rodilla.V_K. Para diodos de germanio,V_K es de aproximadamente 0,3 V y 0,7 V para el silicio.

• Si el valor de IF aumenta mucho más allá V_K, la corriente directa se vuelve bastante grande.

Esta operación hace que se desarrolle un calor excesivo a través de la unión y puede destruir un diodo. Para evitar esta situación, se conecta una resistencia protectora en serie con el diodo. Esta resistencia limita la corriente directa a su valor nominal máximo. Normalmente, se utiliza una resistencia limitadora de corriente cuando los diodos se operan en la dirección de avance.

Característica inversa

Cuando un diodo tiene polarización inversa, conduce una corriente inversa que suele ser bastante pequeña. En la figura anterior se muestra una característica típica de IV inversa de diodo.

La línea de corriente inversa vertical en este gráfico tiene valores de corriente expresados ​​en microamperios. La cantidad de portadores de corriente minoritarios que participan en la conducción de corriente inversa es bastante pequeña. En general, esto significa que la corriente inversa permanece constante en una gran parte del voltaje inverso. Cuando el voltaje inverso de un diodo se incrementa desde el principio, hay un cambio muy leve en la corriente inversa. En el punto de tensión de ruptura (VBR), la corriente aumenta muy rápidamente. El voltaje a través del diodo permanece razonablemente constante en este momento.

Esta característica de voltaje constante conduce a una serie de aplicaciones de diodos en condiciones de polarización inversa. Los procesos que son responsables de la conducción de corriente en un diodo con polarización inversa se denominan comoAvalanche breakdown y Zener breakdown.

Especificaciones de diodos

Como cualquier otra selección, se debe considerar la selección de un diodo para una aplicación específica. El fabricante generalmente proporciona este tipo de información. Especificaciones como voltaje máximo y clasificaciones de corriente, condiciones de funcionamiento habituales, hechos mecánicos, identificación de cables, procedimientos de montaje, etc.

A continuación se presentan algunas de las especificaciones importantes:

• Maximum forward current (IFM) - La corriente directa repetitiva máxima absoluta que puede pasar a través de un diodo.

• Maximum reverse voltage (VRM) - El voltaje de polarización inversa máximo o pico absoluto que se puede aplicar a un diodo.

• Reverse breakdown voltage (VBR) - La tensión inversa mínima en estado estable a la que se producirá la avería.

• Maximum forward surge current (IFM-surge)- La corriente máxima que se puede tolerar durante un breve intervalo de tiempo. Este valor actual es mucho mayor que IFM.

• Maximum reverse current (IR) - La corriente inversa máxima absoluta que se puede tolerar a la temperatura de funcionamiento del dispositivo.

• Forward voltage (VF) - Caída máxima de tensión directa para una corriente directa determinada a la temperatura de funcionamiento del dispositivo.

• Power dissipation (PD) - La potencia máxima que el dispositivo puede absorber de forma segura de forma continua en aire libre a 25 ° C.

• Reverse recovery time (Trr) - El tiempo máximo que tarda el dispositivo en cambiar de estado encendido a apagado.

Términos importantes

• Breakdown Voltage - Es la tensión de polarización inversa mínima en la que la unión PN se rompe con un aumento repentino de la corriente inversa.

• Knee Voltage - Es la tensión directa a la que la corriente a través de la unión comienza a aumentar rápidamente.

• Peak Inverse Voltage - Es la tensión inversa máxima que se puede aplicar a la unión PN, sin dañarla.

• Maximum Forward Rating - Es la corriente directa instantánea más alta que puede pasar una unión PN, sin dañarla.

• Maximum Power Rating - Es la potencia máxima que se puede disipar del empalme, sin dañar el empalme.

Los diodos emisores de luz influyen directa o indirectamente en nuestras actividades diarias. Desde la pantalla de mensajes hasta los televisores LED, dondequiera que existan estos LED. Es básicamente un diodo de unión PN que emite luz cuando se permite que pase una corriente directa a través de él. La siguiente figura muestra el símbolo lógico de un LED.

¿Cómo emite luz un diodo de unión PN?

Los LED no están hechos de silicio o germanio y elementos como arseniuro de galio (GaAs) y fosfuro de galio (GaP). Estos materiales se utilizan deliberadamente ya que emiten luz. Por lo tanto, cuando un LED está polarizado hacia adelante, como es habitual, los electrones cruzan la unión y se unen con agujeros.

Esta acción hace que los electrones de la región de tipo N se salgan de la conducción y regresen a la banda de valencia. Al hacerlo, se libera la energía que posee cada electrón libre. Una parte de la energía liberada emerge como calor y el resto se da como energía de luz visible.

Si los LED están hechos de silicio y germanio, durante la recombinación de electrones, toda la energía se disipa solo en forma de calor. Por otro lado, materiales como el arseniuro de galio (GaAs) y el fosfuro de galio (GaP) poseen suficientes fotones que son suficientes para producir luz visible.

• Si los LED están hechos de arseniuro de galio, producen luz roja.
• Si los LED están hechos de fosfuro de galio, estos LED emiten luz verde.

Ahora considere dos LED conectados espalda con espalda a través de una fuente de suministro de voltaje externo, de modo que el ánodo de un LED esté conectado al cátodo de otro LED o viceversa. Cuando se aplica un voltaje externo a este circuito, un LED funcionará a la vez y, debido a esta acción del circuito, emite una luz diferente cuando un LED está polarizado hacia adelante y el otro está polarizado hacia atrás o viceversa.

Ventajas de los LED

Los LED ofrecen las siguientes ventajas:

• De tamaño bastante pequeño.
• Cambio muy rápido.
• Puede funcionar con muy bajo voltaje.
• Una esperanza de vida muy larga.
• El procedimiento de construcción permite la fabricación en diferentes formas y patrones.

Aplicaciones de los LED

Los LED se utilizan principalmente en pantallas numéricas que indican los números del 0 al 9. También se utilizan en seven-segment display que se encuentran en medidores digitales, relojes, calculadoras, etc.

Es un tipo específico de diodo semiconductor, que está hecho para operar en la región de ruptura inversa. La siguiente figura muestra la estructura cristalina y el símbolo de un diodo Zener. En su mayor parte, es similar al de un diodo convencional. Sin embargo, se realizan pequeñas modificaciones para distinguirlo de un símbolo de un diodo regular. La línea doblada indica la letra 'Z' del Zener.

La diferencia más significativa entre los diodos Zener y los diodos de unión PN normales está en el modo en que se utilizan en los circuitos. Estos diodos normalmente funcionan solo en la dirección de polarización inversa, lo que implica que el ánodo debe estar conectado al lado negativo de la fuente de voltaje y el cátodo al positivo.

Si se usa un diodo regular de la misma manera que el diodo Zener, se destruirá debido a una corriente excesiva. Esta propiedad hace que el diodo Zener sea menos significativo.

La siguiente ilustración muestra un regulador con un diodo Zener.

El diodo Zener está conectado en dirección de polarización inversa a través de una fuente de alimentación de CC no regulada. Está muy dopado de modo que se reduce la tensión de ruptura inversa. Esto da como resultado una capa de agotamiento muy fina. Debido a esto, el diodo Zener tiene una tensión de ruptura inversa agudaV_z.

Según la acción del circuito, la ruptura ocurre bruscamente con un aumento repentino de la corriente, como se muestra en la siguiente figura.

voltaje V_zpermanece constante con un aumento de la corriente. Debido a esta propiedad, el diodo Zener se usa ampliamente en la regulación de voltaje. Proporciona un voltaje de salida casi constante independientemente del cambio de corriente a través del Zener. Por lo tanto, la tensión de carga permanece en un valor constante.

Podemos ver que a un voltaje inverso particular conocido como voltaje de rodilla, la corriente aumenta bruscamente con un voltaje constante. Debido a esta propiedad, los diodos Zener se utilizan ampliamente en la estabilización de voltaje.

Un fotodiodo es un diodo de unión PN que conducirá la corriente cuando se exponga a la luz. Este diodo está realmente diseñado para operar en modo de polarización inversa. Significa que cuanto mayor sea la intensidad de la luz descendente, mayor será la corriente de polarización inversa.

La siguiente figura muestra un símbolo esquemático y un detalle de construcción de un fotodiodo.

Funcionamiento de un fotodiodo

Es un reverse-biased diode. La corriente inversa aumenta a medida que aumenta la intensidad de la luz incidente. Esto significa que la corriente inversa es directamente proporcional a la intensidad de la luz descendente.

Consiste en una unión PN montada sobre un sustrato tipo P y sellada en una caja metálica. El punto de unión está hecho de lentes transparentes y es la ventana donde se supone que debe caer la luz.

Como sabemos, cuando el diodo de unión PN tiene polarización inversa, fluye una cantidad muy pequeña de corriente inversa. La corriente inversa se genera térmicamente por pares de electrones y huecos en la región de agotamiento del diodo.

Cuando la luz incide en la unión PN, es absorbida por la unión. Esto generará más pares de electrones y huecos. O podemos decir, característicamente, que aumenta la cantidad de corriente inversa.

En otras palabras, a medida que aumenta la intensidad de la luz descendente, la resistencia del diodo de unión PN disminuye.

• Esta acción hace que el diodo sea más conductor.
• Estos diodos tienen un tiempo de respuesta muy rápido.
• Estos se utilizan en dispositivos de alta computación.
• También se utiliza en circuitos de alarma, circuitos contadores, etc.

Una celda fotovoltaica básica consta de un semiconductor de tipo ny uno de tipo p que forman una unión pn. La zona superior es extendida y transparente, generalmente expuesta al sol. Estos diodos o celdas son excepcionales y generan un voltaje cuando se exponen a la luz. Las células convierten la energía luminosa directamente en energía eléctrica.

La siguiente figura muestra el symbol of photovoltaic cell.

Funcionamiento de una célula fotovoltaica

La construcción de una celda fotovoltaica es similar a la de un diodo de unión PN. No hay flujo de corriente a través del dispositivo cuando no se aplica luz. En este estado, la celda no podrá generar corriente.

Es esencial sesgar la celda correctamente, lo que requiere una buena cantidad de luz. Tan pronto como se aplica luz, se puede observar un estado notable del diodo de unión PN. Como resultado, los electrones adquieren suficiente energía y se separan de los átomos originales. Estos pares de agujeros de electrones recién generados en la región de agotamiento cruzan la unión.

En esta acción, los electrones se mueven hacia el material de tipo N debido a su concentración normal de iones positivos. Del mismo modo, los agujeros barren el material tipo P debido a su contenido negativo. Esto hace que el material tipo N adquiera instantáneamente una carga negativa y el material P adquiera una carga positiva. La unión PN luego entrega un pequeño voltaje como respuesta.

Características de una célula fotovoltaica

La siguiente figura a la izquierda, muestra una de las características, un gráfico entre la corriente inversa (I _R ) y la iluminación (E) de un fotodiodo. El IR se mide en el eje vertical y la iluminación se mide en el eje horizontal. El gráfico es una línea recta que pasa por la posición cero.

es decir, I _R = mE

m = gráfica de pendiente en línea recta

El parámetro m es la sensibilidad del diodo.

La figura de la derecha muestra otra característica del fotodiodo, un gráfico entre la corriente inversa (I _R ) y el voltaje inverso de un fotodiodo. En el gráfico se desprende claramente que para un voltaje inverso dado, la corriente inversa aumenta a medida que aumenta la iluminación en la unión PN.

Estas celdas generalmente suministran energía eléctrica a un dispositivo de carga cuando se aplica luz. Si se requiere un voltaje mayor, se utiliza una matriz de estas celdas para proporcionar el mismo. Por esta razón, las células fotovoltaicas se utilizan en aplicaciones en las que se dispone de altos niveles de energía luminosa.

Este es un diodo de unión PN especial con una concentración inconsistente de impurezas en sus materiales PN. En un diodo de unión PN normal, las impurezas de dopaje generalmente se dispersan por igual en todo el material. Diodo varactor dopado con una cantidad muy pequeña de impurezas cerca de la unión y la concentración de impurezas aumenta alejándose de la unión.

En el diodo de unión convencional, la región de agotamiento es un área que separa el material P y N. La región de agotamiento se desarrolla al principio cuando se forma inicialmente la unión. No hay portadores de corriente en esta región y, por lo tanto, la región de agotamiento actúa como un medio dieléctrico o aislante.

El material de tipo P con agujeros como portadores mayoritarios y el material de tipo N con electrones como portadores mayoritarios ahora actúan como placas cargadas. Por lo tanto, el diodo puede considerarse como un condensador con placas cargadas opuestas de tipo N y P y la región de agotamiento actúa como dieléctrico. Como sabemos, los materiales P y N, al ser semiconductores, están separados por un aislante de región de agotamiento.

Los diodos que están diseñados para responder al efecto de capacitancia bajo polarización inversa se denominan varactors, varicap diodeso voltage-variable capacitors.

La siguiente figura muestra el símbolo del diodo Varactor.

Los diodos varactores se operan normalmente en condición de polarización inversa. Cuando aumenta la polarización inversa, el ancho de la región de agotamiento también aumenta, lo que da como resultado una menor capacitancia. Esto significa que cuando la polarización inversa disminuye, se puede ver un aumento correspondiente en la capacitancia. Por lo tanto, la capacitancia del diodo varía inversamente proporcional al voltaje de polarización. Por lo general, esto no es lineal. Funciona entre cero y la tensión de ruptura inversa.

La capacitancia del diodo Varactor se expresa como -

$$ C_T = E \ frac {A} {W_d} $$

• C_T = Capacitancia total de la unión

• E = Permitividad del material semiconductor

• A = Área de la sección transversal de la unión

• W_d = Ancho de la capa de agotamiento

Estos diodos son variables que se utilizan en aplicaciones de microondas. Los diodos varactores también se utilizan en circuitos resonantes donde se requiere cierto nivel de ajuste de voltaje o control de frecuencia. Este diodo también se emplea en el control automático de frecuencia (AFC) en receptores de radio y televisión FM.

Los transistores bipolares están formados principalmente por dos capas de material semiconductor del tipo opuesto, conectadas espalda con espalda. El tipo de impureza añadida al silicio o al germanio decide la polaridad cuando se forma.

Transistor NPN

Un transistor NPN se compone de dos materiales de tipo N separados por una capa delgada de material semiconductor de tipo P. La estructura cristalina y el símbolo esquemático del transistor NPN se muestran en la figura anterior.

Hay tres pistas extraídas de cada tipo de material reconocido como el emitter, basey collector. En el símbolo, cuando la punta de flecha del emisor se dirige hacia afuera desde la base, indica que el dispositivo es del tipo NPN.

Transistor PNP

Un transistor PNP está compuesto por dos materiales tipo P separados por una capa delgada de material semiconductor tipo N. La estructura cristalina y el símbolo esquemático de un transistor PNP se muestran a continuación.

En el símbolo, cuando la punta de flecha del emisor se dirige hacia adentro hacia la base, indica que el dispositivo es del tipo PNP.

A continuación se presentan algunas técnicas de fabricación utilizadas en la construcción de un transistor:

Tipo de difusión

En este método, la oblea de semiconductor se somete a cierta difusión gaseosa de impurezas de tipo N y P para formar uniones de emisor y colector. Primero, la unión base-colector se determina y se fotograba justo antes de la difusión de la base. Posteriormente, el emisor se difunde en la base. Los transistores fabricados con esta técnica tienen una mejor figura de ruido y también se observa una mejora en la ganancia de corriente.

Tipo crecido

Se forma extrayendo un solo cristal de silicio fundido o germanio. La concentración requerida de impureza se agrega durante la operación de extracción de cristales.

Tipo epitaxial

Se cultiva una capa fina y de muy alta pureza de un solo cristal de silicio o germanio sobre un sustrato muy dopado del mismo tipo. Esta versión mejorada del cristal forma el colector en el que se forman las uniones del emisor y la base.

Tipo de aleación

En este método, la sección de la base está hecha de una rodaja fina de material tipo N. En los lados opuestos de la rebanada, se adhieren dos pequeños puntos de indio y la formación completa se mantiene a una temperatura alta durante un tiempo más corto. La temperatura estaría por encima de la temperatura de fusión del indio y por debajo del germanio. Esta técnica también se conoce como construcción fusionada.

Tipo grabado electroquímicamente

En este método, en los lados opuestos de una oblea semiconductora, se graba una depresión para reducir la anchura de la región de la base. Luego, se galvaniza un metal adecuado en el área de depresiones para formar uniones de emisor y colector.

Los transistores tienen tres secciones a saber: el emitter, la base, y el collector.

• los base es mucho más delgado que el emisor y el colector es comparativamente más ancho que ambos.

• los emitter está muy dopado para que pueda inyectar una gran cantidad de portadores de carga para la conducción de corriente.

• La base pasa la mayoría de los portadores de carga al colector, ya que está relativamente ligeramente dopada que el emisor y el colector.

Para un funcionamiento adecuado del transistor, la región de la base del emisor debe tener polarización directa y la región de la base del colector debe tener polarización inversa.

En los circuitos semiconductores, el voltaje de la fuente se denomina voltaje de polarización. Para funcionar, los transistores bipolares deben tener polarizadas ambas uniones. Esta condición hace que fluya una corriente a través del circuito. La región de agotamiento del dispositivo se reduce y la mayoría de los portadores de corriente se inyectan hacia la unión. Una de las uniones de un transistor debe tener polarización directa y la otra debe tener polarización inversa cuando funciona.

Funcionamiento del transistor NPN

Como se muestra en la figura anterior, la unión del emisor a la base está polarizada hacia adelante y la unión del colector a la base está polarizada hacia atrás. La polarización directa del emisor a la unión de la base hace que los electrones fluyan desde el emisor de tipo N hacia la polarización. Esta condición formula la corriente del emisor (I _E ).

Al cruzar el material tipo P, los electrones tienden a combinarse con huecos, generalmente muy pocos, y constituyen la corriente de base (I _B ). El resto de los electrones cruzan la región de agotamiento delgada y llegan a la región del colector. Esta corriente constituye la corriente de colector (I _C ).

En otras palabras, la corriente del emisor fluye realmente a través del circuito colector. Por tanto, se puede considerar que la corriente del emisor es la suma de la corriente de base y la del colector. Puede expresarse como,

Yo _E = Yo _B + Yo _C

Funcionamiento del transistor PNP

Como se muestra en la siguiente figura, la unión del emisor a la base está polarizada hacia adelante y la unión del colector a la base está polarizada hacia atrás. La polarización directa del emisor a la unión de la base hace que los orificios fluyan desde el emisor de tipo P hacia la polarización. Esta condición formula la corriente del emisor (I _E ).

Al cruzar el material tipo N, los electrones tienden a combinarse con electrones, generalmente muy pocos, y constituyen la corriente de base (I _B ). El resto de los agujeros cruzan la región de agotamiento delgada y llegan a la región colectora. Esta corriente constituye la corriente de colector (I _C ).

En otras palabras, la corriente del emisor fluye realmente a través del circuito colector. Por tanto, se puede considerar que la corriente del emisor es la suma de la corriente de base y la del colector. Puede expresarse como,

Yo _E = Yo _B + Yo _C

Cuando se conecta un transistor en un circuito, se requieren cuatro terminales o cables o patas, dos para entrada y salida. Como sabemos que los transistores tienen solo 3 terminales, esta situación se puede superar haciendo que uno de los terminales sea común para la sección de entrada y salida. En consecuencia, un transistor se puede conectar en tres configuraciones de la siguiente manera:

• Configuración básica común
• Configuración de emisor común
• Configuración de recopilador común

A continuación se presentan algunos puntos importantes a tener en cuenta sobre el funcionamiento del transistor.

• Un transistor puede funcionar en tres regiones, a saber, la región activa, de saturación y de corte.

• Cuando se usa un transistor en la región activa, la unión base-emisor está polarizada hacia adelante y la unión colector-base tiene polarización inversa.

• Un transistor cuando se usa en la región de saturación, la unión base-emisor está polarizada hacia adelante y la unión colector-base también está polarizada hacia adelante.

• Un transistor cuando se usa en la región de corte, tanto la unión base-emisor como la unión colector-base tienen polarización inversa.

Comparación de la configuración del transistor

La siguiente tabla muestra la comparación de la configuración del transistor.

Caracteristicas	Emisor común	Base común	Colector común
Ganancia de corriente	Alto	No	Considerable
Aplicaciones	Frecuencia de audio	Alta frecuencia	Emparejamiento de impedancia
Resistencia de entrada	Bajo	Bajo	Muy alto
Resistencia de salida	Alto	Muy alto	Bajo
Ganancia de voltaje	Aprox. 500	Aprox. 150	Menos que 1

Ventajas y desventajas de los transistores

La siguiente tabla enumera las ventajas y desventajas de los transistores.

Ventajas	Desventajas
Voltaje de fuente bajo	Dependencia de la temperatura
Ganancia de alto voltaje	Disipación de energía más baja
De menor tamaño	Impedancia de entrada baja

Factor de amplificación actual (α)

La relación entre el cambio en la corriente del colector y el cambio en la corriente del emisor en el colector constante al voltaje base. V_cb se conoce como factor de amplificación de corriente ‘α’. Puede expresarse como

$ \ alpha = \ frac {\ Delta I_C} {\ Delta I_B} $ en constante V _CB

Está claro que el factor de amplificación de la corriente es menor que la unidad y es inversamente proporcional a la corriente de la base considerando que la base está ligeramente dopada y delgada.

Factor de amplificación de corriente base (β)

Es la relación entre el cambio en la corriente del colector y el cambio en la corriente base. Una pequeña variación en la corriente de base da como resultado un cambio muy grande en la corriente del colector. Por lo tanto, el transistor puede alcanzar una ganancia de corriente. Puede expresarse como

$$ \ beta = \ frac {\ Delta I_C} {\ Delta I_B} $$

Transistor como amplificador

La siguiente figura muestra que una resistencia de carga (R _L ) está en serie con la tensión de alimentación del colector (V _cc ). Un pequeño cambio de voltajeΔV_i entre el emisor y la base provoca un cambio de corriente de emisor relativamente grande ΔI_E.

Definimos por el símbolo 'a', la fracción de este cambio actual, que se recoge y pasa R_L. El cambio en el voltaje de salida a través de la resistencia de carga.ΔV_o = a’RL ΔI_Epuede ser muchas veces el cambio en la tensión de entrada? V _I . En estas circunstancias, la amplificación de voltajeA == V_O/ΔV_I será mayor que la unidad y el transistor actúa como amplificador.

Un transistor de efecto de campo (FET) es un dispositivo semiconductor de tres terminales. Su funcionamiento se basa en una tensión de entrada controlada. En apariencia, los transistores JFET y bipolares son muy similares. Sin embargo, BJT es un dispositivo controlado por corriente y JFET está controlado por voltaje de entrada. Por lo general, hay dos tipos de FET disponibles.

• Transistor de efecto de campo de unión (JFET)
• Semiconductor de óxido metálico FET (IGFET)

Transistor de efecto de campo de unión

El funcionamiento del transistor de efecto de campo de unión depende únicamente del flujo de los portadores mayoritarios (electrones o huecos). Básicamente, los JFET consisten en unN tipo o Ptipo barra de silicona que contiene uniones PN en los lados. A continuación se presentan algunos puntos importantes para recordar sobre FET:

• Gate- Mediante el uso de la técnica de difusión o aleación, ambos lados de la barra de tipo N están fuertemente dopados para crear una unión PN. Estas regiones dopadas se denominan puerta (G).

• Source - Es el punto de entrada de los portadores mayoritarios a través del cual ingresan a la barra de semiconductores.

• Drain - Es el punto de salida de los portadores mayoritarios por el que salen de la barra de semiconductores.

• Channel - Es el área de material tipo N por la que pasan la mayoría de los portadores desde la fuente al drenaje.

Hay dos tipos de JFET que se utilizan comúnmente en los dispositivos semiconductores de campo: N-Channel JFET y P-Channel JFET.

JFET de canal N

Tiene una fina capa de material tipo N formada sobre un sustrato tipo P. La siguiente figura muestra la estructura cristalina y el símbolo esquemático de un JFET de canal N. Luego, la puerta se forma en la parte superior del canal N con material tipo P. Al final del canal y la puerta, los cables conductores están conectados y el sustrato no tiene conexión.

Cuando se conecta una fuente de voltaje de CC a la fuente y los cables de drenaje de un JFET, la corriente máxima fluirá a través del canal. La misma cantidad de corriente fluirá desde la fuente y los terminales de drenaje. La cantidad de flujo de corriente del canal estará determinada por el valor de V _DD y la resistencia interna del canal.

Un valor típico de resistencia al drenaje de la fuente de un JFET es de varios cientos de ohmios. Está claro que incluso cuando la puerta está abierta, la conducción de corriente completa tendrá lugar en el canal. Esencialmente, la cantidad de voltaje de polarización aplicada en ID controla el flujo de los portadores de corriente que pasan por el canal de un JFET. Con un pequeño cambio en el voltaje de la puerta, JFET se puede controlar en cualquier lugar entre la conducción completa y el estado de corte.

JFET de canal P

Tiene una capa delgada de material tipo P formada sobre sustrato tipo N. La siguiente figura muestra la estructura cristalina y el símbolo esquemático de un JFET de canal N. La puerta se forma en la parte superior del canal P con material tipo N. Al final del canal y la puerta, se adjuntan cables conductores. El resto de los detalles de construcción son similares a los del JFET de canal N.

Normalmente, para el funcionamiento general, el terminal de puerta se hace positivo con respecto al terminal de origen. El tamaño de la capa de agotamiento de la unión PN depende de las fluctuaciones en los valores del voltaje de puerta polarizado inverso. Con un pequeño cambio en el voltaje de la puerta, JFET se puede controlar en cualquier lugar entre la conducción completa y el estado de corte.

Características de salida de JFET

Las características de salida de JFET se dibujan entre la corriente de drenaje (I _D ) y el voltaje de la fuente de drenaje (V _DS ) a un voltaje de fuente de puerta constante (V _GS ) como se muestra en la siguiente figura.

Inicialmente, la corriente de drenaje (I _D ) aumenta rápidamente con el voltaje de la fuente de drenaje (V _DS ), sin embargo, de repente se vuelve constante a un voltaje conocido como voltaje de pellizco (V _P ). Por encima del voltaje de pellizco, el ancho del canal se vuelve tan estrecho que permite que pase una corriente de drenaje muy pequeña. Por lo tanto, la corriente de drenaje (I _D ) permanece constante por encima del voltaje de pinzamiento.

Parámetros de JFET

Los principales parámetros de JFET son:

• Resistencia al drenaje de CA (Rd)
• Transconductance
• Factor de amplificación

AC drain resistance (R_d)- Es la relación entre el cambio en el voltaje de la fuente de drenaje (ΔV _DS ) y el cambio en la corriente de drenaje (ΔI _D ) a un voltaje de puerta-fuente constante. Puede expresarse como,

R _d = (ΔV _DS ) / (ΔI _D ) a constante V _GS

Transconductance (g_fs)- Es la relación entre el cambio en la corriente de drenaje (ΔI _D ) y el cambio en el voltaje de la fuente de compuerta (ΔV _GS ) a voltaje constante de drenaje-fuente. Puede expresarse como,

g _fs = (ΔI _D ) / (ΔV _GS ) a constante V _DS

Amplification Factor (u)- Es la relación entre el cambio en el voltaje de la fuente de drenaje (ΔV _DS ) y el cambio en el voltaje de la fuente de la puerta (ΔV _GS ), la corriente de drenaje constante (ΔI _D ). Puede expresarse como,

u = (ΔV _DS ) / (ΔV _GS ) a constante I _D

Hay dos métodos en uso para sesgar el JFET: el método de auto-sesgo y el método del divisor de potencial. En este capítulo, discutiremos estos dos métodos en detalle.

Método de auto-sesgo

La siguiente figura muestra el método de autopolarización de JFET de canal n. La corriente de drenaje fluye a travésR_sy produce el voltaje de polarización requerido. Por lo tanto,R_s es la resistencia de polarización.

Por lo tanto, voltaje a través de la resistencia de polarización,

$$ V_s = I_ {DRS} $$

Como sabemos, la corriente de la puerta es insignificante, el terminal de la puerta está en tierra de CC, V _G = 0,

$$ V_ {GS} = V_G - V_s = 0 - I_ {DRS} $$

O $ V_ {GS} = -I_ {DRS} $

V _GS mantiene la puerta en negativo con respecto a la fuente.

Método del divisor de voltaje

La siguiente figura muestra el método del divisor de voltaje para polarizar los JFET. Aquí, la resistencia R ₁ y R ₂ forman un circuito divisor de voltaje a través del voltaje de suministro de drenaje (V _DD ), y es más o menos idéntico al utilizado en la polarización del transistor.

El voltaje a través de R ₂ proporciona el sesgo necesario:

$$ V_2 = V_G = \ frac {V_ {DD}} {R_1 + R_2} \ veces R_2 $$

$ = V_2 + V_ {GS} + I_D + R_S $

O $ V_ {GS} = V_2 - I_ {DRS} $

El circuito está diseñado de modo que V _GS sea ​​siempre negativo. El punto de operación se puede encontrar usando la siguiente fórmula:

$$ I_D = \ frac {V_2 - V_ {GS}} {R_S} $$

y $ V_ {DS} = V_ {DD} - I_D (R_D + R_S) $

Metal-oxide semiconductor field-effect transistors, también conocidos como MOSFET, tienen mayor importancia y son una nueva incorporación a la familia FET.

Tiene un sustrato de tipo P ligeramente dopado en el que se difunden dos zonas de tipo N altamente dopadas. Una característica única de este dispositivo es la construcción de su puerta. Aquí, la puerta está completamente aislada del canal. Cuando se aplica voltaje a la puerta, se desarrollará una carga electrostática.

En este momento, no se permite que fluya corriente en la región de la puerta del dispositivo. Además, la puerta es un área del dispositivo, que está recubierta de metal. Generalmente, el dióxido de silicio se usa como material aislante entre la puerta y el canal. Por esta razón, también se conoce comoinsulated gate FET. Hay dos MOSFETS ampliamente utilizados i) MOSFET de agotamiento ii) MOSFET de mejora.

D MOSFET

Las siguientes figuras muestran D-MOSFET de canal n y el símbolo. La puerta forma un condensador con la puerta como una placa, y la otra placa es el canal con la capa de SiO ₂ como dieléctrico. Cuando el voltaje de la puerta varía, el campo eléctrico del capacitor cambia, lo que a su vez varía la resistencia del canal n.

En este caso, podemos aplicar voltaje positivo o negativo a la puerta. Cuando el MOSFET se opera con voltaje de compuerta negativo, se llama modo de agotamiento y cuando se opera con voltaje de compuerta positivo, se denomina modo de operación de mejora del MOSFET.

Modo de agotamiento

La siguiente figura muestra un D-MOSFET de canal n en modo de funcionamiento de agotamiento.

Su funcionamiento es el siguiente:

• La mayoría de los electrones están disponibles en la puerta, ya que la puerta es negativa y repele los electrones de n canal.

• Esta acción deja iones positivos en la parte del canal. En otras palabras, algunos de los electrones libres delnel canal está agotado. Como resultado, hay menos electrones disponibles para la conducción de corriente a través deln canal.

• Cuanto mayor sea el voltaje negativo en la puerta, menor es la corriente desde la fuente hasta el drenaje. Por lo tanto, podemos cambiar la resistencia del canal ny la corriente de la fuente al drenaje variando el voltaje negativo en la puerta.

Modo de mejora

La siguiente figura muestra un MOSFET de canal n D en el modo de operación de mejora. Aquí, la puerta actúa como un condensador. Sin embargo, en este caso la puerta es positiva. Provoca los electrones en eln canal y el número de electrones aumenta en el n canal.

Un voltaje de puerta positivo mejora o aumenta la conductividad del canal. Cuanto mayor sea el voltaje positivo en la puerta, mayor será la conducción desde la fuente hasta el drenaje.

Por lo tanto, podemos cambiar la resistencia del canal ny la corriente de la fuente al drenaje variando el voltaje positivo en la puerta.

Características de transferencia de D - MOSFET

La siguiente figura muestra las características de transferencia de D-MOSFET.

Cuando V _{GS se} vuelve negativo, I _D cae por debajo del valor de I _DSS , hasta que llega a cero y V _GS = V _GS (apagado) (modo de agotamiento). Cuando V _GS es cero, I _D = I _DSS porque la puerta y los terminales de la fuente están en corto. I _D aumenta por encima del valor de I _DSS , cuando V _GS es positivo y el MOSFET está en modo de mejora.

Un amplificador operacional, o amplificador operacional, es un amplificador diferencial de ganancia muy alta con alta impedancia de entrada y baja impedancia de salida. Los amplificadores operacionales se utilizan típicamente para proporcionar cambios de amplitud de voltaje, osciladores, circuitos de filtro, etc. Un amplificador operacional puede contener varias etapas de amplificador diferencial para lograr una ganancia de voltaje muy alta.

Este es un amplificador diferencial de alta ganancia que utiliza acoplamiento directo entre la salida y la entrada. Esto es adecuado para operaciones de CC y CA. Los amplificadores operacionales realizan numerosas funciones electrónicas como dispositivos de instrumentación, generadores de señales, filtros activos, etc. además de diversas operaciones matemáticas. Este dispositivo versátil también se utiliza en muchas aplicaciones no lineales, como comparadores de voltaje, convertidores de analógico a digital y convertidores de digital a analógico, amplificadores logarítmicos, generadores de funciones no lineales, etc.

Amplificador diferencial básico

La siguiente ilustración muestra un amplificador diferencial básico:

En la figura anterior -

• V_DI = entrada diferencial

• V_DI= V ₁ - V ₂

• V_DO = salida diferencial

• V_DO= V _C1 - V _C2

Este amplificador amplifica la diferencia entre las dos señales de entrada, V ₁ y V ₂ .

Ganancia de voltaje diferencial,

$$ A_d = \ frac {V_ {DO}} {V_ {DI}} $$

y

$$ A_d = \ frac {(V_ {C1} - V_ {C2})} {V_ {DI}} $$

Como se muestra en la siguiente figura, el amplificador operacional básico consta de tres etapas:

Etapa de entrada

Esta es la primera etapa y tiene las siguientes características.

• CMR alto (rechazo de modo común)
• Impedancia de entrada alta
• Ancho de banda ancha
• Desplazamiento de entrada bajo (CC)

Estas son algunas características importantes para el rendimiento del amplificador operacional. Esta etapa consta de una etapa de amplificador diferencial y un transistor está polarizado para que actúe como una fuente de corriente constante. La fuente de corriente constante aumenta en gran medida la CMR del amplificador diferencial.

A continuación se muestran las dos entradas al amplificador diferencial:

• V ₁ = entrada no inversora
• V ₂ = Entrada inversora

Etapa intermedia

Esta es la segunda etapa y está diseñada para obtener mejores ganancias de voltaje y corriente. La ganancia de corriente es necesaria para suministrar suficiente corriente para impulsar la etapa de salida, donde se genera la mayor parte de la potencia del amplificador operacional. Esta etapa consta de uno o más amplificadores diferenciales seguidos de un seguidor de emisor y una etapa de cambio de nivel de CC. El circuito de cambio de nivel permite que un amplificador tenga dos entradas diferenciales con una sola salida.

V fuera = + ve	cuando V 1 > V 2
V fuera = -ve	cuando V 2 <V 1
V fuera = 0	cuando V 1 = V 2

Etapa de salida

Esta es la última etapa del amplificador operacional y está diseñada para tener una impedancia de salida baja. Esto proporciona la corriente necesaria para impulsar la carga. Se extraerá más o menos corriente de la etapa de salida a medida que varíe la carga. Por tanto, es fundamental que la etapa anterior funcione sin verse influida por la carga de salida. Este requisito se cumple diseñando esta etapa para que tenga una alta impedancia de entrada y una alta ganancia de corriente, pero con baja impedancia de salida.

El amplificador operacional tiene dos entradas: Non-inverting input y Inverting input.

La figura anterior muestra el tipo inversor de amplificador operacional. Una señal que se aplica en el terminal de entrada inversora se amplifica, sin embargo, la señal de salida está desfasada 180 grados con la señal de entrada. Una señal aplicada en el terminal de entrada no inversora se amplifica y la señal de salida está en fase con la señal de entrada.

El amplificador operacional se puede conectar en una gran cantidad de circuitos para proporcionar varias características operativas.

Amplificador inversor

La siguiente figura muestra un amplificador inversor. La señal de entrada se amplifica e invierte. Este es el circuito amplificador de ganancia constante más utilizado.

V _o = -R _f .V _en / R ₁

Ganancia de voltaje A = (-R _f / R ₁ )

Amplificador no inversor

La siguiente figura muestra un circuito de amplificador operacional que funciona como un amplificador no inversor o un multiplicador de ganancia constante y tiene una mejor estabilidad de frecuencia.

La señal de entrada se amplifica pero no se invierte.

Salida V _o = [(R ₁ + R _f ) / R ₁ ] V ₁

Ganancia de voltaje A = (R ₁ + R _f ) / R ₁

Amplificador sumador inversor

La siguiente figura muestra un amplificador sumador inversor. Es el circuito más utilizado del amplificador operacional. El circuito muestra un amplificador sumador de tres entradas, que proporciona un medio para sumar algebraicamente tres voltajes, cada uno multiplicado por un factor de ganancia constante. El voltaje de salida se expresa como,

V _o = [(-R ₄ / R ₁ ) V ₁ ] [(- R ₄ / R ₂ ) V ₂ ] [(- R ₄ / R ₃ ) V ₃ ]

V _o = -R ₄ (V ₁ / R ₁ + V ₂ / R ₂ + V ₃ / R ₃ )

Si, R ₁ = R ₂ = R ₃ = R ₄ = R & R _s = R / 3

V _o = - (V ₁ + V ₂ + V ₃ )

La siguiente figura muestra que el componente de retroalimentación utilizado es un condensador y la conexión resultante se denomina integrador.

El equivalente de tierra virtual muestra que una expresión para el voltaje entre la entrada y la salida se puede derivar en términos de la corriente (I), desde la entrada hasta la salida. Recuerde que tierra virtual significa que podemos considerar que el voltaje en la unión de R y X _C es tierra (ya que V _i ≈ 0 V), sin embargo, no entra corriente a tierra en ese punto. La impedancia capacitiva se puede expresar como

$$ X_C = \ frac {1} {jwC} = \ frac {1} {sC} $$

Dónde s= jw como en la notación de Laplace. Resolver la ecuación para $ V_o / V_i $ produce la siguiente ecuación

$$ I = \ frac {V_1} {R_1} = \ frac {-V_0} {X_c} = \ frac {- \ frac {V_0} {I}} {sC} = \ frac {V_0} {V_1} $$

$$ \ frac {V_0} {V_1} = \ frac {-1} {sCR_1} $$

Se puede escribir en el dominio del tiempo como

$$ V_o (t) = - \ frac {1} {RC} \ int V_1 (t) dt $$

En la siguiente figura se muestra un circuito diferenciador.

El diferenciador proporciona una operación útil, siendo la relación resultante para el circuito

V _o (t) = RC (dv1 (t) / dt

A continuación se muestran algunos parámetros importantes del amplificador operacional:

Ganancia de voltaje de lazo abierto (AVOL)

La ganancia de voltaje de bucle abierto de un amplificador operacional es su ganancia diferencial en condiciones en las que no se usa retroalimentación negativa. AVOL varía de 74 db a 100 db.

AVOL = [V _o / (V ₁ - V ₂ )]

Voltaje de compensación de salida (VOO)

El voltaje de compensación de salida de un amplificador operacional es su voltaje de salida cuando su voltaje de entrada diferencial es cero.

Rechazo de modo común (CMR)

Si ambas entradas tienen el mismo potencial, lo que hace que la entrada diferencial sea cero, y si la salida es cero, se dice que el amplificador operacional tiene un buen rechazo de modo común.

Ganancia de modo común (CA)

La ganancia de modo común de un amplificador operacional es la relación entre el voltaje de salida del modo común y el voltaje de entrada del modo común.

Ganancia diferencial (AD)

La ganancia diferencial de un amplificador operacional es la relación entre la salida y la entrada diferencial.

Anuncio = [V _o / (V ₁ ) - V ₂ ]

Relación de rechazo de modo común (CMRR)

El CMRR de un amplificador operacional se define como la relación entre la ganancia diferencial de bucle cerrado y la ganancia de modo común.

CMRR = Anuncio / AC

Tasa de respuesta (SR)

La tasa de respuesta es la tasa de cambio de voltaje de salida causado por un voltaje de entrada escalonado. Una velocidad de respuesta ideal es infinita, lo que significa que la salida del amplificador operacional debería cambiar instantáneamente en respuesta a un voltaje de paso de entrada.

Ya hemos discutido algunas aplicaciones del amplificador operacional como diferenciador, integrador, amplificador sumador, etc. Algunas otras aplicaciones comunes de los amplificadores operacionales son:

• Amplificador logarítmico
• Gyrator (simulador de inductancia)
• Seguidor de voltaje CC y CA
• Conversor analógico a digital
• Convertidor de digital a analógico
• Fuentes de alimentación para protección contra sobretensiones
• Indicador de polaridad
• Seguidor de voltaje
• Filtros activos

Un oscilador es un circuito electrónico que genera oscilaciones sinusoidales conocidas como sinusoidal oscillator. Convierte la energía de entrada de una fuente de CC en energía de salida de CA de forma de onda periódica, a una frecuencia específica y de amplitud conocida. El rasgo característico del oscilador es que mantiene su salida de CA.

La siguiente figura muestra un amplificador con señal de retroalimentación incluso en ausencia de una señal de entrada aplicada externamente. Un oscilador sinusoidal es esencialmente una forma de amplificador de retroalimentación, donde se imponen requisitos especiales a la ganancia de voltaje.A_v y las redes de retroalimentación β.

Considere el amplificador de retroalimentación de la figura anterior, donde el voltaje de retroalimentación V _f = βV _O suministra todo el voltaje de entrada

$ V_i = V_f = \ beta V_0 = A_V \ beta V_i $ (1)

$ V_i = A_V \ beta V_i $ O $ (1 - A_V \ beta) V_i = 0 $ (2)

Si se va a producir un voltaje de salida, el voltaje de entrada no puede ser cero. Por tanto, para que exista V _i , la ecuación (2) requiere que

$ (1 - A_V \ beta) = 0 $ O $ A_V \ beta = 1 $ (3)

La ecuación (3) se conoce como “Barkhausen criterion”, que establece dos requisitos básicos para la oscilación:

• La ganancia de voltaje alrededor del amplificador y el circuito de retroalimentación, llamada ganancia del circuito, debe ser la unidad o $ A_V \ beta = 1 $.

• El cambio de fase entre $ V_i $ y $ V_f $, llamado cambio de fase del bucle, debe ser cero.

Si se satisfacen estas dos condiciones, el amplificador de retroalimentación de la figura anterior generará una forma de onda de salida sinusoidal de manera consistente.

Analicemos ahora en detalle algunos circuitos osciladores típicos.

Oscilador de cambio de fase

Un circuito oscilador que sigue el progreso fundamental de un circuito de retroalimentación es el oscilador de cambio de fase. En la siguiente figura se muestra un oscilador de cambio de fase. Los requisitos para la oscilación son que la ganancia del lazo (βA) debe ser mayor que la unidad y el desplazamiento de fase entre la entrada y la salida debe ser de 360 ^o .

La retroalimentación se proporciona desde la salida de la red RC a la entrada del amplificador. La etapa del amplificador del amplificador operacional proporciona un cambio inicial de 180 grados y la red RC introduce una cantidad adicional de cambio de fase. A una frecuencia específica, el cambio de fase introducido por la red es exactamente de 180 grados, por lo que el bucle será de 360 ​​grados y el voltaje de retroalimentación estará en el voltaje de entrada de fase.

El número mínimo de etapas RC en la red de retroalimentación es tres, ya que cada sección proporciona 60 grados de cambio de fase. El oscilador RC es ideal para el rango de frecuencias de audio, desde unos pocos ciclos hasta aproximadamente 100 KHz. En las frecuencias más altas, la impedancia de la red se vuelve tan baja que puede cargar seriamente el amplificador, reduciendo así su ganancia de voltaje por debajo del valor mínimo requerido, y las oscilaciones cesarán.

A bajas frecuencias, el efecto de carga no suele ser un problema y los grandes valores de resistencia y capacitancia requeridos están fácilmente disponibles. Usando el análisis de red básico, la oscilación de frecuencia se puede expresar como

$$ f = \ frac {1} {2 \ pi RC \ sqrt {6}} $$

Oscilador del puente de Viena

Un circuito de oscilador práctico utiliza un amplificador operacional y un circuito de puente RC, con la frecuencia del oscilador establecida por el R y Ccomponentes. La siguiente figura muestra una versión básica de un circuito oscilador de puente de Viena.

Tenga en cuenta la conexión de puente básica. Las resistencias R ₁ y R ₂ y los condensadores C ₁ y C ₂ forman los elementos de ajuste de frecuencia, mientras que las resistencias R ₃ y R ₄ forman parte de la ruta de retroalimentación.

En esta aplicación, el voltaje de entrada (V _i ) al puente es el voltaje de salida del amplificador y el voltaje de salida (V _o ) del puente es retroalimentación a la entrada del amplificador. Si se ignoran los efectos de carga de las impedancias de entrada y salida del amplificador operacional, el análisis del circuito puente da como resultado

$$ \ frac {R_3} {R_4} = \ frac {R_1} {R_2} + \ frac {C_2} {C_1} $$

y

$$ f = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {R_1C_1R_2C_2}} $$

Si R ₁ = R ₂ = R y C ₁ = C ₂ = C, la frecuencia del oscilador resultante es

$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi RC} $$

Oscilador Hartley

La siguiente figura muestra el oscilador Hartley. Es uno de los circuitos de RF más comunes. Normalmente se utiliza como oscilador local en un receptor de transmisión de comunicaciones. El transistor de unión bipolar en la conexión de emisor común es el amplificador de tensión y es empujada por un circuito de polarización universal, que consiste en R ₁ , R ₂ , R _E . El condensador de derivación del emisor (C _E ) aumenta la ganancia de voltaje de esta etapa de un solo transistor.

El estrangulador de radiofrecuencia (RFC) en el circuito colector actúa como un circuito abierto en la frecuencia de RF y evita que la energía de RF entre en la fuente de alimentación. El circuito del tanque consta de L ₁ , L ₂ y C. La frecuencia de las oscilaciones está determinada por el valor de L ₁ , L ₂ y C y está determinada por las oscilaciones a la frecuencia resonante del circuito del tanque LC. Esta frecuencia resonante se expresa como

$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {L_TC}} $$

La señal de salida se puede tomar del colector mediante acoplamiento capacitivo, siempre que la carga sea grande y la frecuencia de oscilación no se vea afectada.

Piezoelectricidad

Las propiedades piezoeléctricas son exhibidas por una serie de sustancias cristalinas naturales, de las cuales las más importantes son el cuarzo, la sal de Rochelle y la turmalina. Cuando se aplica un voltaje sinusoidal a través de estos materiales, vibran a la frecuencia de voltaje aplicada.

Por otro lado, cuando estos materiales se comprimen y se someten a tensión mecánica para vibrar, producen un voltaje sinusoidal equivalente. Por lo tanto, estos materiales se denominan cristal piezoeléctrico. El cuarzo es el cristal piezoeléctrico más popular.

Oscilador de cristal

El diagrama de circuito del oscilador de cristal se muestra en la siguiente figura.

El cristal aquí actúa como un circuito sintonizado. El circuito equivalente de un cristal se da a continuación.

Un oscilador de cristal tiene dos frecuencias resonantes: frecuencia resonante en serie y frecuencia resonante paralela.

Frecuencia de resonancia en serie

$$ f_s = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} $$

Frecuencia de resonancia paralela

$$ f_p = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC_T}} $$

Las dos frecuencias de resonancia son casi iguales, ya que C / Cm es muy pequeño. En la figura anterior, el cristal está conectado para operar en modo resonante paralelo.

Las resistencias R ₁ , R ₂ , R _E y el transistor juntos forman un circuito amplificador. Las resistencias R ₁ y R ₂ proporcionan una polarización de CC estabilizada por voltaje. El condensador (C _E ) proporciona un bypass de CA de la resistencia del emisor (R _E ) y el RFC proporciona alta impedancia a la frecuencia generada por el oscilador, de modo que no ingresen a las líneas eléctricas.

El cristal está en paralelo con el condensador C ₁ y C ₂ y permite la máxima retroalimentación de voltaje desde el colector al emisor, cuando su impedancia es máxima. En otras frecuencias, la impedancia del cristal es baja, por lo que la retroalimentación resultante es demasiado pequeña para sostener las oscilaciones. La frecuencia del oscilador se estabiliza en la frecuencia de resonancia paralela del cristal.

El propósito básico de la red de polarización es establecer relaciones de voltaje y corriente colector-base-emisor en el punto de operación del circuito (el punto de operación también se conoce como punto de reposo, punto Q, punto sin señal, punto inactivo, o punto estático). Dado que los transistores rara vez operan en este punto Q, las redes de polarización básicas se utilizan generalmente como referencia o punto de partida para el diseño.

La configuración real del circuito y, especialmente, los valores de la red de polarización se seleccionan sobre la base de las condiciones dinámicas del circuito (oscilación de voltaje de salida deseada, nivel de señal de entrada esperado, etc.) Una vez que se establece el punto de operación deseado, la siguiente función de la red de polarización es para estabilizar el circuito amplificador en este punto. La red de polarización básica debe mantener las relaciones de corriente deseadas en presencia de cambios de temperatura y suministro de energía, y posible reemplazo del transistor.

En algunos casos, los cambios de frecuencia y los cambios causados ​​por el componente nuevamente también deben ser compensados ​​por la red de polarización. Este proceso se conoce generalmente como estabilización de sesgos. La estabilización de polarización adecuada mantendrá el circuito del amplificador en el punto de funcionamiento deseado (dentro de los límites prácticos) y evitará la fuga térmica.

Factor de estabilidad 'S'

Se define como la tasa de cambio de la corriente del colector con la corriente de saturación inversa, manteniendo β y V _BE constantes. Se expresa como

$$ S = \ frac {\ mathrm {d} I_c} {\ mathrm {d} I_c} $$

Métodos de estabilización de sesgos

El método para hacer que el punto de operación sea independiente de los cambios de temperatura o variaciones en los parámetros de los transistores se conoce como stabilization. Existen varios esquemas para proporcionar estabilización de polarización de amplificadores de estado sólido. Todos estos esquemas involucran una forma de retroalimentación negativa. Es decir, cualquier etapa en las corrientes de transistores produce un cambio de voltaje o corriente correspondiente que tiende a contrarrestar el cambio inicial.

Hay dos métodos fundamentales para producir retroalimentación negativa, retroalimentación de voltaje inverso y retroalimentación de corriente inversa.

Retroalimentación de voltaje inverso

La siguiente figura muestra la red básica de polarización de voltaje inverso. La unión emisor-base está polarizada hacia adelante por el voltaje en la unión de R ₁ y R ₂ . La unión base-colector está polarizada inversamente por el diferencial entre los voltajes en el colector y la base.

Normalmente, el colector de un amplificador acoplado por resistencia está a un voltaje de aproximadamente la mitad del de la resistencia de suministro (R ₃ ), conectado entre el colector y la base. Dado que el voltaje del colector es positivo, una parte de este voltaje se retroalimenta a la base para soportar la polarización directa.

La polarización directa normal (o punto Q) en la unión emisor-base es el resultado de todos los voltajes entre el emisor y la base. Como colector de corriente aumenta, una caída de tensión más grande se produce a través de R _L . Como resultado, el voltaje en el colector disminuye, reduciendo la retroalimentación de voltaje a la base a través de R ₃ . Esto reduce la polarización directa emisor-base, reduciendo la corriente del emisor y bajando la corriente del colector a su valor normal. Como hay una disminución inicial en la corriente del colector, tiene lugar una acción opuesta y la corriente del colector se eleva a su valor normal (punto Q).

Cualquier forma de retroalimentación negativa o inversa en un amplificador tiende a oponerse a todos los cambios, incluso a los producidos por la señal que se amplifica. Esta retroalimentación inversa o negativa tiende a reducir y estabilizar la ganancia, así como a cambios no deseados. Este principio de estabilización de la ganancia mediante realimentación se utiliza en más o menos todos los tipos de amplificadores.

Realimentación de corriente inversa

La siguiente figura muestra una red de polarización de corriente inversa (emisor-retroalimentación) distintiva que utiliza un transistor NPN. La realimentación de corriente se usa más comúnmente que la realimentación de voltaje en los amplificadores de estado sólido. Esto se debe a que los transistores son principalmente dispositivos operados por corriente, en lugar de dispositivos operados por voltaje.

El uso de una resistencia de retroalimentación de emisor en cualquier circuito de polarización se puede resumir de la siguiente manera: La corriente de base depende del diferencial de voltaje entre la base y el emisor. Si se reduce el voltaje diferencial, fluirá menos corriente base.

Lo contrario es cierto cuando se aumenta el diferencial. Toda la corriente fluye por el colector. El voltaje cae a través de la resistencia del emisor y, por lo tanto, no es completamente dependiente. A medida que aumenta la corriente del colector, también aumentará la corriente del emisor y la caída de voltaje a través de la resistencia del emisor. Esta retroalimentación negativa tiende a disminuir el diferencial entre la base y el emisor, disminuyendo así la corriente de la base. A su vez, la corriente de base más baja tiende a disminuir la corriente del colector y contrarresta los aumentos iniciales de la corriente del colector.

Compensación de sesgo

En los amplificadores de estado sólido, cuando la pérdida de ganancia de señal es intolerable en una aplicación particular, a menudo se utilizan técnicas de compensación para reducir la desviación del punto de operación. Con el fin de proporcionar la máxima polarización y estabilización térmica, los métodos de compensación y estabilización se pueden emplear juntos.

La siguiente figura muestra la técnica de compensación de diodos que utilizó tanto la compensación de diodos como la estabilización de autopolarización. Si tanto el diodo como el transistor son del mismo tipo, entonces tienen el mismo coeficiente de temperatura en todo el circuito. Aquí, el diodo está polarizado hacia adelante. KVL para el circuito dado se puede expresar como:

$$ I_c = \ frac {\ beta [V - (V_ {BE} - V_o)] + (Rb + Rc) (\ beta + 1) ICO} {Rb + Rc (1 + \ beta)} $$

De la ecuación anterior se desprende claramente que $ V_ {BE} $ sigue a VO con la temperatura e Ic no tendrá ningún efecto sobre las variaciones en $ V_ {BE} $. Este es un método efectivo para cuidar el punto de operación del transistor debido a la variación en $ V_ {BE} $.

Dispositivo de compensación de temperatura

También podemos usar algún dispositivo sensible a la temperatura para compensar las variaciones de las características internas del transistor. El termistor tiene un coeficiente de temperatura negativo, lo que significa que con el aumento de temperatura, su resistencia disminuye exponencialmente. La siguiente figura muestra un circuito que usa termistor (R _T ) para reducir el aumento en la corriente del colector debido al cambio en $ V_ {BE} $, ICO o β con la temperatura.

Cuando la temperatura aumenta, R _T disminuye y la corriente alimentada a través de R _T hacia R _E aumenta. La caída de voltaje de acción a través de R _E es en la dirección opuesta para invertir la polarización del transistor. R _T actúa para tender a compensar el aumento de IC, que aumenta debido al aumento de temperatura.