La Electrónica es la parte de las Ciencias Físicas que se dedica a la conducción eléctrica en elementos
SEMICONDUCTORES, pero no sólo de ellos. La diferencia con la otra rama denominada Electricidad es pequeña, y ambas están profundamente relacionadas.
En la práctica, podemos decir que un circuito es electrónico, y no eléctrico, cuando funciona con tensiones e intensidades bajas (unos pocos voltios y con un consumo de pocos miliamperios), cuando se destina a aplicaciones de cálculo (informática), control automático o manejo de señales de radio.
¿Qué es un Semiconductor?
Antes de explicar lo que es un material semiconductor, debemos repasar lo que se entiende por material aislante y material conductor.. Recordemos que un material conductor (un metal) estaba formado por átomos en los que los electrones de valencia (los de la última capa) estaban muy lejos del núcleo, y éstos estaban formando como una nube compartida por todos los átomos del metal. Un electrón podía fácilmente abandonar su átomo, e irse algún hueco libre, dejando a su vez un hueco.
Cuando aplicaba una tensión eléctrica, los electrones fácilmente se movían por el cable.
Pero veámoslo de otra forma. Los electrones de valencia se mueven mucho, llevan mucha
energía. A esa energía le voy a llamar Energía de Valencia. Esta energía se mide en electrones voltios (eV).
Por otra parte, la energía que necesita llevar un electrón para desligarse de su átomo (que es
bastante) la voy a llamar Energía de Conducción. Si un electrón, de cualquier forma, es capaz de ganar esa energía podrá “decirle adiós a su átomo e irse a otra parte”.
¿Por qué entonces los electrones de un átomo metálico pueden fácilmente irse a otro átomo? Pues es fácil. Porque su energía de Valencia es mayor que la energía de Conducción del átomo.
En los materiales aislantes ocurre lo contrario. Los electrones no se escapan, y por
tanto no conducen la electricidad. Y no se escapan porque la energía de conducción, la
que necesitan para marcharse del átomo, es superior a la que ellos tienen. Los electrones
de valencia, que son siempre los que mayor energía llevan, no tienen la suficiente.
¿Entonces, qué ocurre en los materiales semiconductores?
Ocurre que los electrones tienen una energía de valencia muy parecida a la energía de conducción.
Así que si los electrones pueden ganar algo de energía que venga del exterior, pueden sobrepasar la
energía de conducción y marcharse del átomo.
Y al revés, si pierden algo de energía les será más difícil abandonar el átomo.
¿Cómo pueden ganar energía? Por ejemplo, calentándolos, o por ejemplo dándoles la luz, o aplicando una tensión determinada, o incluso dándoles un golpe.
¿Cómo pierden energía? Por ejemplo, enfriándolos.
Un material semiconductor: el Silicio (Si).
El Silicio es el material de la Naturaleza más parecido al Carbono. Tiene cuatro electrones de valencia, y forma enlaces covalentes con otros cuatro Silicios que tenga alrededor.
En principio debería ser aislante, pero no lo es, es un semiconductor. Otro semiconductor natural es el Germanio (Ge). Si uno de los electrones, por efecto de la temperatura u otras causas, abandona su lugar (recordemos que casi tienen energía para hacerlo) otro de otro lugar puede saltar al hueco, y otro al hueco, hasta alcanzar de nuevo un equilibrio. Esto genera pequeñas corrientes eléctricas (recombinación).
Un material semiconductor hecho sólo de un solo tipo de átomo, se denomina intrínseco.
Semiconductores
extrínsecos.
Un Semiconductor es extrínseco cuando provoco el fenómeno natural de la creación de
corrientes eléctricas que hemos visto. ¿Cómo puedo provocarlo?
Pues introduciendo un exceso de electrones o un exceso de huecos.
Semiconductor tipo N
En ellos introduzco átomos de Fósforo ( P ), Arsénico ( As ) o Antimonio ( Sb ). Estos átomos no tienen cuatro electrones de valencia como el Silicio sino cinco. Al introducir estos átomos dentro de la estructura molecular del Silicio, los meto de forma forzada, lo cual resulta que un electrón se queda suelto, sin enlace. Introducir un átomo en la estructura molecular de otro se llama dopaje.
Semiconductor tipo P
De forma parecida, puedo introducir átomos de Boro ( B ), Galio ( Ga ) o Indio ( In ).
Estos átomos sólo poseen tres electrones de valencia. En este caso, al introducir un átomo con un sitio libre donde debería haber un electrón, se queda un hueco.
Conclusión: Tanto en el tipo N, porque hay naturalmente electrones sin sitio, libres, moviéndose continuamente, como en el tipo P, que al haber huecos se provoca que electrones enlazados se vayan al nuevo hueco, existen corrientes eléctricas provocadas.
Estas corrientes son mayores que si el conductor fuera intrínseco.
El primer dispositivo electrónico: El Diodo.
Se denomina diodo (diodo de unión PN) a la unión de dos semiconductores extrínsecos, uno de tipo P y otro de tipo N. Antes de continuar tenemos que recordar que el material P y el material N, cada uno por separado, son neutros. Si sumamos los protones de todos los átomos de uno de ellos y los electrones que tienen, veremos que su balance de cargas es cero, o sea, tienen el mismo número de electrones que de protones.
Sin embargo cuando se unen, el material N tiene electrones móviles, descolocados, mientras el material P tiene huecos donde pueden ir electrones...
Los electrones de la zona N se mueven (recombinan) con los huecos del material P. Al hacerlo
crea una pequeña zona cerca de la frontera entre los dos semiconductores cargada, o sea, en el material N hay un balance de cargas positivo (porque le faltan electrones) y en el material P hay más electrones de la cuenta, luego hay un balance de cargas negativo (le sobran electrones).
Resumiendo, ¿Qué ocurre cuando los dos materiales se unen,entonces?
1. Los electrones del material N se recombinan con huecos del material P.
2. Se crean dos zonas de carga, una positiva en el material N y otra negativa en el material P.
3. En el momento de unirse, hay electrones que se mueven del material N al material P, luego hay una intensidad I, cuyo sentido va del material P al material N (sentido convencional).
4. El que se mantenga en cada zona un balance de cargas positivo-negativo no es habitual en la naturaleza pues atenta contra la ley universal de la neutralidad de carga. Por razones que no se salen del tema, ocurre este proceso, pero no todos los electrones del material N pasan al material P. Sólo los que están cerca de la frontera, en una estrecha zona. Esta zona se conoce como zona de deplexión. También se mantiene una diferencia de potencial llamada tensión umbral del, diodo.
Conectando una pila al diodo: polarización.
El positivo de la pila lo conecto a la zona P y el negativo a la zona N.
Podemos distinguir tres fases:
1. Los electrones de la pila se ven atraídos por una zona de carga positiva, y salen del terminar negativo, saturando la zona N de electrones.
2. Por otra parte, los electrones que rellenan los huecos de la zona P se ven atraídos por el terminal positivo de la pila y se marchan hacia ella.
3. Como se quedan huecos vacíos y en la zona N hay un exceso de electrones, éstos empiezan a rellenar esos huecos saltando la frontera entre losdos diodos.
4. Este proceso se repite contínuamente, mientras no se gaste la pila. Mientras haya electrones en la parte negativade la pila saldrán electrones hacia la parte N y volverán desde la P al positivo de la pila.
Observaciones: en esta polarización (polarización directa) ocurre lo siguiente:
• Los electrones van en el sentido de la zona N a la zona P, luego el sentido de la intensidad
(sentido convencional) es el contrario. La intensidad va de la zona P a la N.
• En este caso, la unión de los dos semiconductores en el diodo se comporta como un conductor.
• Una cosa importante que no se va a explicar en profundidad: Para que los electrones circulen en polarización directa la tensión de la pila debe ser superior a la tensión umbral del diodo. Según el tipo de diodo, la tensión umbral es de 0.2 a 0.8 Voltios.
El negativo lo conecto a la zona P y el positivo a la N.
Se denomina polarización inversa. En este caso, ocurren dos cosas:
1. Electrones de la pila, del polo negativo, salen para ocupar los huecos presentes en el material P. La zona de carga negativa, cuyo balance de carga era negativo, ahora lo será aún más.
2. Por otra parte, los electrones de la zona N se sienten atraídos por el polo positivo de la pila y se van hacia allí, dejando la zona N sin electrones, con un balance de carga más positivo aún.
Podemos observar los siguiente:
• Nada más conectar la pila se da este movimiento, de electrones del negativo de la pila hacia P y de N hacia el polo positivo de la pila. Pero esta situación dura muy poco. Pronto los electrones dejan de circular. Por una parte todos los huecos de P están ocupados y no hay electrones que los ocupen desde la zona N. El diodo se bloquea. Se dice que está saturado.
• El pequeño y momentáneo movimiento electrónico, se da entre el polo negativo de la pila y el
positivo. En el sentido convencional la intensidad iría del polo positivo al negativo, atravesando
el diodo de la zona N a la P. Esa pequeña intensidad momentánea se denomina corriente inversa de saturación. Esta corriente suele ser de pocos microampers.
El diodo se representa con el símbolo básico de un triángulo, con una raya en el vértice opuesto. La base del triángulo es la zona P y el vértice la zona N. Tal como hemos visto antes, si ponemos una pila con el positivo conectado a la zona P, y el negativo a la N, estamos
conectando el diodo en polarización directa. Circulará una corriente que podemos medir con un amperímetro. El circuito de la derecha es IDEAL, no se suele usar porque sólo gastaría la pila. Si ponemos ahora el diodo al revés, lo polarizamos inversamente.
En este caso no circulará corriente ninguna por el amperímetro. El amperímetro marca cero amperios. Al diodo podemos darle la vuelta y colocarle la tensión de la pila positiva, o bien, dejarlo como está y poner la tensión de la pila negativa, o con los cables positivos y negativos cambiados. Son situaciones análogas de polarización inversa.
Situaciones análogas de polarización inversa:
Gráfica I-V del diodo.
Coloquemos una fuente de tensión al diodo, y, por cada valor de tensión, mido la intensidad que circula por el circuito.Vamos a suponer que la fuente de tensión puede poner valores negativos de tensión contínua (en la práctica, los valores son positivos pero le podemos dar la vuelta a los polos positivos y negativos).
En este caso, si vamos cogiendo valores de intensidad según los valores de tensión de la pila observaremos que:
1. Si los valores son negativos, no circula intensidad.
2. Si son positivos, pero menores que la tensión umbral del diodo, tampoco circula intensidad.
3. Si son positivos, mayores que la tensión umbral, circula unaintensidad alta, teóricamente casi infinita.
Hasta la tensión de 0.3 Voltios (en este ejemplo he escogido una tensión umbral de 0.3 Voltios) aproximadamente por el circuito no circula intensidad. Cuando ya, aumentamos
el voltaje a 1, 2 y más voltios, va circulando cada vez una intensidad más alta.
Si el diodo fuese ideal, su gráfica sería una “L” invertida. A partir de la tensión umbral, circula una intensidad idealmente infinita.En la práctica, el diodo polarizado en directa, deja pasar la corriente y en inversa no la deja pasar. También en la práctica, los diodos no aguantan
cualquier tensión (positiva o negativa). Si nos pasamos de unos valores, o se queman o se convierten en conductores. En este último caso se llama tensión de ruptura a la tensión a
la que se convierten en conductores.
Tipos de Diodos
Hay muchos tipos de diodos: podemos definir los diodos de potencia, que aguantan tensiones
altas sin abandonar las características de un diodo, los de Silicio (referencia comercial 1N4001-1N4007, por ejemplo, de tensión umbral 0.6 a 0.8 voltios aprox. ) para propósitos de rectificación, los de Germanio (1N4148) con una tensión umbral de 0.2 ó 0.3 Voltios, para propósitos generales, los LED's (abreviatura inglesa de Light Emitting Diodes – Diodos emisores de luz) que son como bombillas cuando se les polariza en directa y los diodos Zener, que tienen una tensión de ruptura baja y sirven para propósitos de estabilización de señales continuas.
Los diodos Zener se representan con el triángulo del diodo y una “Z”. El diodo LED
lleva dos flechitas indicando que da luz.
Los diodos LED deben llevar una resistencia en serie de unos 100 – 1000 Ohmios
para poder iluminar. Si se le pone una menor se pueden quemar y si mayor, no dan luz. Los
diodos LED's son muy usados en aparatos electrónicos corrientes: (Luz de disco duro,
luces de stand-by, infrarrojos del mando, etc.)
Resistencias Variables
Las resistencias variables son resistencias cuyo valor puedo cambiar a
voluntad. Las hay de tamaño grande o pequeño, horizontales o verticales, lineales y
logarítmicas. En general, una resistencia variable, por ejemplo de 10 KΩ, tendrá tres
contactos y actúa como dos resistencias en serie. Entre el contacto central y uno de los
contactos laterales tendrá un valor menor de 10 KΩ y entre la central yel otro contacto
lateral un valor complementario. Por ejemplo, si entre el centro y el contacto izquierdo pongo 3KΩ, entre el centro y el derecho tendré 10 KΩ- 3KΩ = 7KΩ.
Son usadas como reguladores de los distintos parámetros de un circuito.
Aquellas de vástago largo al que se le puede aplicar un mando se suelen denominar potenciómetro.
Resistencias dependientes
Las resistencias dependientes son resistencias cuyos valores dependen de parámetros externos al circuito. Pondremos de ejemplo las resistencias que dependen de la temperatura exterior (NTC y PTC) y de las resistencias que dependen de la luz (LDR).
De las dependientes de la temperatura decir que NTC significa coeficiente de temperatura
negativo y PTC, coeficiente de temperatura positivo. En las primeras, al aumentar la temperatura disminuye la resistencia, y en las segundas, al aumentar la temperatura la resistencia aumenta. Se utilizan como controles de temperatura, protección de circuitos, retardadores de accionamiento, etc.
Las LDR (resistencias dependientes de la luz), aumenta la resistencia al aumentar la cantidad de luz que inciden sobre ellas. Sirven como elementos de control de circuitos, alarma, medida, etc.