Semiconductores Intrínsecos

Un semiconductor es un componente que no es directamente un conductor de corriente, pero tampoco es un aislante. En un conductor la corriente es debida al movimiento de las cargas negativas (electrones). En los semiconductores se producen corrientes producidas tanto por el movimiento de electrones como de las cargas positivas (huecos).

1. Emisión electrónica

La emisión electrónica es el proceso bajo el cual se logra la liberación de electrones de una masa hacia el espacio circundante, liberación que puede lograrse por efectos de calor,     luz u otra forma de energía. Este efecto de emisión electrónica, fundamentalmente, se puede clasificar de la siguiente manera:

1.1. Termoemisión

La termoemisión se puede considerar como un proceso bajo el cual se logra que un cuerpo emita electrones por efecto de calor. La emisión que se produce en sustancias como tungsteno o materiales metálicos está en proporción directa con la elevación de la temperatura.

1.2. Fotoemisión

La fotoemisión se puede definir como un proceso bajo el cual se logra que un cuerpo electrones  por efecto de la luz. Este fenómeno de emisión electrónica se produce en cierto tipo de materiales  llamados fotosensibles, tales como el cesio, potasio y sodio.

2.3. Emisión por altos voltajes

Sí entre dos cuerpos separados entre sí existe una elevada diferencia de potencial, el cuerpo electrizado negativamente, puede lanzarse electrones al cuerpo positivo, surgiendo entonces el efecto de la emisión electrónica por altos voltajes.

2.4. Emisión secundaria

Básicamente, la emisión secundaria se  produce cuando un cuerpo metálico es bombardeo por un haz electrónico. Al producirse el impacto por el bombardeo de los electrones primarios, estos materialmente arrancan o liberan de la masa algunos electrones adicionales, los cuales se conocen con el nombre de electrones secundarios.

3. Emisión electrónica natural

Existen algunos cuerpos que tienen la propiedad de emitir espontáneamente electrones y cuando esto ocurre, se da origen al efecto de la Radioactividad.

Portadores de carga de un semiconductor

Los semiconductores presentan una resistencia específica del orden de los Ω por cm³ y además, poseen un coeficiente negativo de temperatura. Un semiconductor en estado de pureza absoluta,   es un aislante perfecto, siempre y cuando no le afecte la temperatura y la luz.

La corriente eléctrica en los materiales semiconductores queda determinada por las propiedades de la masa, esto es, si el material es del tipo “N” o “P”, en cuyo caso, el flujo electrónico puede lograrse mediante portadores de dos tipos que son:

A)   Portadores negativos o electrones

B)  Portadores positivos o huecos

2. Semiconductor Tipo N y P

El material semiconductor en el que la conducción es debida al flujo de electrones recibe el nombre de material «N» (Negativos portadores), y el material en el que la conducción se debe al movimiento de huecos positivos recibe el  nombre de material «P» (portadores Positivos). Desde el punto de vista electrónico, el material más importante es el silicio. El silicio tiene cuatro electrones exteriores o de Valencia.

3. Semiconductor Intrínseco

Tiene el mismo número de electrones libres que de huecos. Concebiremos la corriente en un semiconductor como el efecto combinado de los dos tipos de flujo: el de los electrones libres en una dirección y el de los huecos en la opuesta. Los electrones libres y los huecos reciben a menudo la denominación común de portadores debido a que transportan la carga eléctrica de un lugar a otro.

4. Semiconductor Extrínseco

Una forma de aumentar la conductividad de un semiconductor es mediante el dopaje. El dopaje supone que, deliberadamente, se añaden átomos de impurezas a un cristal intrínseco para modificar su conductividad eléctrica. Un semiconductor dopado se llama semiconductor extrínseco.

5. Recombinación

En un cristal de silicio puro se crean igual número de electrones libres que de huecos debido a la energía térmica. Los electrones libres se mueven de forma aleatoria a  través del cristal. En ocasiones, un electrón libre se aproximará a un hueco, será atraído hacia él y caerá hacía él. Esta  uníón de un electrón libre y un hueco se llama recombinación. El tiempo que transcurre entre la creación y la desaparición de un electrón libre recibe el nombre de tiempo de vida, va desde unos cuantos nanosegundos a varios microsegundos. En todo instante, lo que está sucediendo dentro de un cristal de silicio se puede resumir en los siguientes puntos:

Se están creando electrones libres y huecos por la acción de la energía térmica

Otros electrones libres y huecos se están recombinando

Algunos electrones y huecos están temporalmente esperando una recombinación

El diodo

El nacimiento del diodo surgíó a partir de la necesidad de transformación de corrientes alternas en continua. La corriente en un diodo presenta un sentido de circulación de cargas positivas que van  desde el ánodo al cátodo, no permitiendo la circulación de la corriente en el sentido opuesto,  lo cual nos permite la conversión de corriente alterna a continua, procedimiento conocido como rectificación. Esto ocurre porque por el diodo solamente podrá circular corriente cuando el ánodo sea más positivo que el cátodo.

Funcionamiento del Diodo.
Están compuestos por dos regiones de material semiconductor que se llama uníón P-N que es la base de todo componente electrónico de tipo activo. Entre las dos partes de la uníón P-N, y en la zona de contacto entre ambas, se produce una regíón denominada   de transición, donde se genera una pequeña diferencia de potencial, dado que se conforma una recombinación de electrones, quedando la zona N a mayor tensión que la zona P. Cuando se le aplica una tensión al diodo con el terminal positivo conectado a la zona P y el negativo a la N se producirá una circulación de corriente entre ambas debido a que una pequeña parte de esta tensión nivelará la diferencia de potencial entre zonas, llamada tensión umbral.

Entre las diversas clases de diodos que se encuentran en el mercado, podemos citar las siguientes: diodos rectificadores, diodos de señal, diodos de conmutación, diodos de alta frecuencia, diodos estabilizadores de tensión, diodos especiales.

2. Diodo rectificador

El nombre diodo rectificador separa los ciclos positivos de una señal de corriente alterna. Si  se  aplica al diodo una tensión de corriente alterna durante los medios ciclos positivos, se polariza en forma directa; de esta manera, permite el paso de la corriente eléctrica. Pero durante los medios ciclos negativos, el diodo se polariza de manera inversa; con ello, evita el paso de la corriente en tal sentido.

3. Diodo Zener

El diodo zener es un tipo especial de diodo, que siempre se utiliza polarizado inversamente. En este caso la corriente circula en contra de la flecha que representa el diodo. Sí el diodo zener se   polariza en sentido directo se comporta como un diodo rectificador común. Cuando el diodo  zener funciona polarizado inversamente mantiene entre sus terminales un voltaje constante.

Analizando la curva del diodo se ve que conforme se va aumentando negativamente el voltaje aplicado al diodo, la corriente que pasa por el aumenta muy poco. Pero una vez que se llega a un determinado voltaje, llamado voltaje o tensión de Zener (Vz), el aumento del voltaje (siempre   negativamente) es muy pequeño, pudiendo considerarse constante. Para este voltaje, la corriente que atraviesa el diodo zener, puede variar en un gran rango de valores. A esta regíón se le llama la zona operativa. Esta es la carácterística del diodo zener que se aprovecha para que funcione como regulador de voltaje, pues el voltaje se mantiene prácticamente constante para una gran variación de corriente. Un regulador con diodo zener ideal mantiene un voltaje predeterminado fijo a su salida, sin importar las variaciones de voltaje en la fuente de alimentación y/o las variaciones de corriente en la carga. Con  el uso  de este  circuito  podemos  asegurar  una  tensión  máxima a  la  salida  del circuito, independientemente de las fluctuaciones originadas en la entrada del mismo.

4. Led

Led (diodo emisor de luz) componente optoelectronico pasivo.

El funcionamiento se basa en la polarización en sentido directo de una uníón P-N. Al hacer esto se origina una recombinación de electrones y huecos, lo que origina gran cantidad de energía. Los  led’s se usan como indicadores en muchos dispositivos y en iluminación. Debido a sus altas frecuencias de operación son también útiles en tecnologías avanzadas de comunicaciones. Los leds infrarrojos también se usan en unidades de control remoto de muchos productos comerciales incluyendo televisores e infinidad de aplicaciones de hogar y consumo doméstico.

5. Diac

El DIAC (Diodo para Corriente Alterna) es un diodo bidireccional disparable que conduce la corriente sólo tras haberse superado su tensión de disparo, y mientras la corriente circulante no sea inferior al valor carácterístico para ese dispositivo. El comportamiento es fundamentalmente el mismo para ambas direcciones de la corriente. La mayoría de los DIAC tienen una tensión de disparo de alrededor de 30 V. Los DIAC son una clase de tiristor, y se usan normalmente para disparar los triac, otra clase de tiristor.

6. Fotodiodo

Es un dispositivo que conduce una cantidad de corriente eléctrica proporcional a la cantidad de luz que lo incide. Esta corriente eléctrica fluye en sentido opuesto a la flecha del diodo y se llama corriente de fuga. El fotodiodo se puede utilizar como dispositivo detector de luz. Si el fotodiodo quedara conectado, de manera que por él circule la corriente en el sentido de la flecha (sentido directo), la luz que lo incide no tendría efecto sobre él y se comportaría como un diodo semiconductor normal.

8.  Fotorresistencia

El LDR es una resistencia que varía su valor dependiendo de la cantidad de luz que la ilumina. Cuando está totalmente iluminada y cuando está totalmente a oscuras varía. Puede medir de 50 ohms a 1000 ohms en iluminación total y puede ser de 50K Ohms a varios megaohms cuando está a oscuras. El LDR es fabricado con materiales de estructura cristalina, y utiliza sus propiedades fotoconductoras. Los cristales utilizados más comunes son: sulfuro de cadmio y seleniuro de cadmio. Su tiempo de respuesta típico es de aproximadamente 0.1 segundos. El LDR o fotorresistencia es un elemento muy útil  para aplicaciones en circuitos donde se necesita detectar la ausencia de luz de día.

9. Termistores NTC y PTC

Los termistores son resistores variables con la temperatura, basados en semiconductores. Existen dos tipos de termistores, dependiendo de si su coeficiente de temperatura es negativo o positivo. Si es negativo se denominan NTC (fabricado a base de mezclar y sinterizar óxidos dopados de metales como el níquel, cobalto, manganeso, hierro y cobre), y si es positivo se denominan PTC (basados en titanato de bario al que se añade titanato de plomo o de circonio para determinar la temperatura de conmutación).

El funcionamiento de un termistor se basa en la variación de la resistencia de un semiconductor con la temperatura. Para NTC, al aumentar la temperatura, aumentará también la  concentración de  portadores, por lo que la resistencia será menor, de ahí que el coeficiente sea negativo. Para PTC, en el caso de un semiconductor con un dopado muy intenso, éste adquirirá propiedades metálicas, tomando un coeficiente positivo en un margen de temperatura limitado. Sus principales carácterísticas son:

1.- Su  rango de temperaturas está entre -50°C y 150°C, aunque las unidades encapsuladas pueden  alcanzar hasta los 300°C.

En la mayoría de las aplicaciones para una temperatura de 25°C la resistencia varía entre 100 ohm y 100Kohm

Tienen un tamaño reducido por lo que la respuesta a los cambios de temperatura sea rápida

Son autocalentables, lo que los hace inútiles en algunas aplicaciones

Es posible cambiar un termistor en un sistema, sin necesidad de calibrar el aparato de medida