Teoría de los materiales semiconductores
De dónde sale el silicio, qué es dopar un cristal y por qué una juntura PN deja pasar la corriente en un solo sentido. De ahí salen el diodo, la fuente de alimentación de cualquier equipo y, más adelante, el transistor y todos los circuitos integrados.
01Conductores, aislantes y semiconductores
Lo que define si un material conduce o no es cuán libres están sus electrones de valencia — los de la capa más externa del átomo.
1 a 3 electrones de valencia, prácticamente libres. Cobre, plata, aluminio. Resistividad ≈ 10−8 Ω·m.
4 electrones de valencia. Silicio y germanio. Ni conduce ni aísla: depende de cómo se lo trate. Resistividad ≈ 10−3 a 103 Ω·m.
5 a 8 electrones, muy ligados. Vidrio, mica, plástico. Resistividad ≈ 1012 Ω·m o más.
El silicio puro (intrínseco) forma un cristal donde cada átomo comparte sus cuatro electrones con cuatro vecinos: enlaces covalentes. Con todos los electrones ocupados, a 0 K sería un aislante perfecto. A temperatura ambiente, la agitación térmica rompe algunos enlaces y libera unos pocos portadores; por eso conduce apenas. También por eso los semiconductores dependen fuertemente de la temperatura, dato que reaparece en todo lo que viene después.
Cuando un electrón se libera deja un lugar vacante en el enlace: un hueco. Un electrón vecino puede saltar a ocuparlo, y entonces el hueco «se mueve» en sentido contrario. Por eso en un semiconductor hay dos tipos de portadores: electrones (carga negativa) y huecos (que se comportan como carga positiva). Esto no ocurre en los metales, y es la clave de todo lo demás.
02Dopaje: materiales N y P
El silicio puro no sirve para nada. Lo que lo vuelve útil es agregarle, de forma controlada, una cantidad ínfima de impurezas: aproximadamente un átomo extraño cada 10 millones de silicio. Eso se llama dopar.
Se agregan átomos pentavalentes (5 electrones de valencia): fósforo, arsénico, antimonio. Cuatro electrones forman enlaces y sobra uno, casi libre.
- Portadores mayoritarios: electrones.
- Portadores minoritarios: huecos (por agitación térmica).
- La impureza se llama donadora.
- El material sigue siendo eléctricamente neutro.
Se agregan átomos trivalentes (3 electrones de valencia): boro, galio, indio. Falta un electrón para completar el cuarto enlace: queda un hueco.
- Portadores mayoritarios: huecos.
- Portadores minoritarios: electrones.
- La impureza se llama aceptora.
- También es eléctricamente neutro.
«Tipo N» no significa que el material esté cargado negativamente, ni «tipo P» cargado positivamente. Los dos son neutros: por cada electrón libre de más hay un núcleo con una carga positiva de más que lo compensa. La N y la P indican qué tipo de portador conduce la corriente, no una carga neta.
03La juntura PN
Si en un mismo cristal una zona se dopa P y la contigua N, en el borde ocurre algo notable. Los electrones sobrantes del lado N se difunden hacia el lado P y se recombinan con los huecos. Al hacerlo dejan atrás iones fijos: positivos del lado N, negativos del lado P.
Esa zona sin portadores se llama zona de deplexión y el campo interno que aparece es la barrera de potencial. Vale unos 0,7 V en silicio y 0,3 V en germanio. Es la responsable de todo el comportamiento del diodo: mientras no se venza esa barrera desde afuera, no hay corriente.
04El diodo: polarización y curva característica
Los tres modelos del diodo
Según la precisión que haga falta, se usa uno u otro. En 4° año se trabaja casi siempre con el segundo.
| Modelo | En directa | En inversa | Cuándo usarlo |
|---|---|---|---|
| Ideal | Cortocircuito (0 V) | Circuito abierto | Análisis rápido, cuando la fuente es de decenas de volt. |
| De 0,7 V | Fuente de 0,7 V | Circuito abierto | El habitual. Buen equilibrio entre simpleza y exactitud. |
| Con rd | 0,7 V + resistencia dinámica (unos Ω) | Resistencia muy alta | Corrientes grandes o cálculo de disipación. |
Una fuente de 12 V alimenta un diodo de silicio en serie con una R de 1 kΩ. Calcular la corriente y la potencia disipada por el diodo.
Con el modelo de 0,7 V, la tensión sobre la resistencia es 12 − 0,7 = 11,3 V:
Con el modelo ideal habría dado 12 mA: un 6 % de error. Con fuentes de 5 V o menos, ignorar los 0,7 V ya produce errores grandes y el modelo ideal deja de servir.
Los diodos que se usan en el taller
| Diodo | IF máx. | VRRM | Uso |
|---|---|---|---|
| 1N4148 | 200 mA | 100 V | Señal, conmutación rápida. Vidrio. |
| 1N4001 | 1 A | 50 V | Rectificación de baja tensión. |
| 1N4007 | 1 A | 1000 V | El de uso general. Cuesta lo mismo que el 4001: conviene tener sólo este. |
| 1N5408 | 3 A | 1000 V | Fuentes de mayor corriente. |
| 1N4733A | — | VZ = 5,1 V | Zener de 1 W. |
| 1N5822 | 3 A | 40 V | Schottky: cae sólo 0,3 V. Fuentes conmutadas. |
La banda pintada en el cuerpo marca siempre el cátodo. Es la única forma de identificarlo, y confundirla es el error más frecuente al armar una fuente.
05Rectificación
Rectificar es convertir corriente alterna en corriente continua pulsante. Es la primera etapa de toda fuente de alimentación.
Media onda
Un solo diodo. Deja pasar el semiciclo positivo y bloquea el negativo.
Aprovecha la mitad del tiempo, entrega poca continua y es difícil de filtrar. Sólo se usa en cargadores muy chicos.
Onda completa con transformador de toma central
Dos diodos y un secundario con punto medio. Cada diodo conduce en un semiciclo, así que ambos semiciclos aparecen en la carga con la misma polaridad.
Puente de Graetz (rectificador en puente)
Cuatro diodos y un secundario común, sin toma central. Es el que se usa casi siempre.
| Rectificador | Diodos | Vcc sin filtro | f del rizado | Caída total | PIV por diodo |
|---|---|---|---|---|---|
| Media onda | 1 | 0,318 Vp | 50 Hz | 0,7 V | Vp |
| Onda completa, toma central | 2 | 0,637 Vp | 100 Hz | 0,7 V | 2 Vp |
| Puente | 4 | 0,637 Vp | 100 Hz | 1,4 V | Vp |
El puente gana porque no necesita toma central (transformador más barato y mejor aprovechado) y porque el PIV que soporta cada diodo es la mitad que en el de toma central. Paga con una caída de 1,4 V, que sólo molesta en fuentes de muy baja tensión.
Un transformador de «12 V» entrega 12 V eficaces. El pico es Vp = 12 × √2 = 17 V, y eso es lo que queda en el capacitor de filtro (menos 1,4 V del puente): unos 15,6 V. Muchos proyectos se queman porque se dimensiona el capacitor para 16 V cuando en realidad recibe casi 16 V. Se usa siempre un capacitor de al menos 25 V.
06Filtro capacitivo y rizado
La salida del rectificador es continua pero pulsante: sirve para cargar una batería, no para alimentar un circuito. Un capacitor grande en paralelo con la carga se carga en los picos y entrega corriente en los valles. Lo que queda de ondulación se llama rizado (o ripple).
Fuente con transformador de 220/12 V eficaces, puente rectificador y una carga que consume 500 mA. Se quiere un rizado menor a 1 V pico a pico.
1. Tensión de pico: Vp = 12 × 1,414 = 17 V.
2. Capacitor necesario, despejando de la fórmula del rizado:
3. Se elige el valor comercial inmediato superior: 4700 µF (rizado 1,06 V, se acepta) o 6800 µF si se quiere margen. Tensión de trabajo: 25 V como mínimo.
4. Continua resultante: 17 − 1,4 − 0,5 ≈ 15,1 V.
5. Corriente de pico en los diodos: al cargarse el capacitor circulan picos de varios amperes durante 1 ms. Por eso un puente para 500 mA de continua se elige de 2 A o más.
07Diodo Zener y regulación
Un diodo común se destruye si se lo lleva a la ruptura en inversa. El Zener está fabricado para trabajar justamente ahí: por encima de su tensión VZ conduce en inversa y mantiene esa tensión casi constante aunque cambie la corriente. Eso lo convierte en una referencia de tensión.
Entrada de 12 V, Zener 1N4733A (VZ = 5,1 V, Pmáx = 1 W), carga de 20 mA. Se elige IZ mínima de 10 mA para que el Zener esté bien en la zona de ruptura.
Potencia en RS: (12 − 5,1)² / 220 = 0,22 W → resistencia de 1/2 W.
Caso crítico: si se desconecta la carga, todo va al Zener. IZ = 6,9 / 220 = 31 mA, y PZ = 5,1 × 31 mA = 0,16 W. Está muy por debajo del watt: el diseño soporta que le saquen la carga. Siempre hay que verificar este caso, porque es donde se queman los Zener.
Sirve para corrientes chicas (hasta unos 50 mA) y desperdicia energía: consume lo mismo con carga que sin ella. Para más corriente se le agrega un transistor como seguidor (tema siguiente) o se usa un regulador integrado tipo 7805 o LM317.
08Otros diodos que aparecen enseguida
| Tipo | Qué tiene de particular | Dónde se usa |
|---|---|---|
| LED | Emite luz al conducir. Caída de 1,8 V (rojo) a 3,4 V (azul/blanco). No soporta inversa (5 V típico). | Indicadores. Siempre con resistencia en serie. |
| Schottky | Caída de sólo 0,3 V y conmutación muy rápida. | Fuentes conmutadas, protección contra inversión de polaridad. |
| Varicap | Su capacidad en inversa depende de la tensión aplicada. | Sintonía de radios y TV. |
| Fotodiodo | Su corriente inversa crece con la luz. | Sensores, control remoto, fibra óptica. |
| Diodo de rueda libre | Es un diodo común usado en antiparalelo con una bobina. | Protege al transistor de la sobretensión que genera un relé al desconectarse. |
LED rojo (VF = 1,8 V, I = 15 mA) alimentado con 5 V — el valor que sale se redondea al comercial más cercano:
Sin resistencia, el LED conduce sin límite y se destruye en menos de un segundo. No hay excepciones a esta regla.
09En el laboratorio
Con el multímetro en la escala de diodo (símbolo ▷|), medir en los dos sentidos. En directa debe marcar entre 0,5 y 0,7 V (silicio) o 0,2 a 0,3 V (germanio/Schottky); en inversa, OL o fuera de rango. Si mide bajo en los dos sentidos está en corto; si mide OL en los dos, está abierto. Verificar que la banda pintada coincide con el cátodo (la punta negra del multímetro en directa).
Fuente variable de 0 a 5 V, un diodo 1N4007 en serie con una R de 100 Ω. Ir subiendo la tensión de a 0,1 V y anotar VD (con el voltímetro sobre el diodo) e I (calculada a partir de la caída en R). Graficar I en función de VD. El codo debe aparecer alrededor de 0,6 a 0,7 V, y se ve claramente que no es una recta: el diodo no cumple la ley de Ohm.
Transformador 220/12 V, puente W04M, capacitor de 2200 µF/25 V, carga de 470 Ω. Con el osciloscopio:
- Ver la senoidal en el secundario y medir Vp y la frecuencia.
- Ver la salida del puente sin el capacitor: los dos semiciclos rectificados a 100 Hz.
- Conectar el capacitor y medir el rizado con el osciloscopio en acoplamiento CA y sensibilidad alta.
- Comparar el rizado medido con el calculado por Vr = I / (f·C).
- Duplicar la carga (235 Ω) y verificar que el rizado se duplica.
El primario del transformador está a 220 V: se cablea con el equipo desenchufado, se aísla con termocontraíble y no se toca nunca con la fuente conectada. Los capacitores electrolíticos grandes quedan cargados después de desconectar: descargarlos con una resistencia de 1 kΩ antes de manipular la plaqueta. Y respetar la polaridad del electrolítico: al revés explota.
10Errores frecuentes
| Síntoma | Causa habitual |
|---|---|
| La fuente no entrega nada | Un diodo del puente al revés, o el fusible del primario abierto. |
| El capacitor explotó o se hinchó | Polaridad invertida, o tensión de trabajo insuficiente (se olvidó multiplicar el eficaz por √2). |
| La continua es mucho menor a la esperada | Falta el capacitor de filtro: se está midiendo el valor medio (0,637 Vp) en vez del pico. |
| Zumbido de 100 Hz en el equipo alimentado | Rizado excesivo: capacitor chico para la corriente consumida. |
| El Zener se calienta y se quema | No se verificó el caso sin carga, donde toda la corriente pasa por él. |
| El LED duró un segundo | Sin resistencia limitadora, o conectado en inversa a más de 5 V. |
| Los diodos del puente se queman al encender | El pico de carga inicial del capacitor. Se agrega una resistencia de arranque o se elige un puente con más margen de corriente. |
11Autoevaluación
¿Por qué un semiconductor tiene exactamente 4 electrones de valencia?
Porque con 4 queda justo a mitad de camino: forma un cristal con enlaces covalentes completos (por eso casi no conduce puro) pero con muy poca energía se libera un portador (por eso conduce si se lo dopa o se lo calienta). Con menos electrones sería conductor y con más, aislante.
Un material tipo N, ¿tiene carga eléctrica negativa?
No. Es neutro: cada átomo donador aporta un electrón libre pero también un protón de más en su núcleo. La N indica que los portadores mayoritarios son electrones, no que haya carga neta.
¿Cuánto vale la barrera de potencial en silicio y qué significa físicamente?
Unos 0,7 V. Es el potencial que genera la zona de deplexión al quedar con iones fijos de un signo a cada lado. Para que circule corriente en directa, la fuente externa tiene que vencer esa barrera; por eso el diodo «no arranca» hasta los 0,7 V.
Un transformador de 9 V eficaces alimenta un puente con filtro. ¿Qué tensión continua se mide?
Vp = 9 × 1,414 = 12,7 V. Menos los 1,4 V de los dos diodos que conducen: ≈ 11,3 V menos la mitad del rizado. Si el rizado es de 1 V, quedan unos 10,8 V.
¿Por qué el rizado de un puente es más fácil de filtrar que el de un rectificador de media onda?
Porque el rizado es de 100 Hz en vez de 50 Hz: el capacitor tiene la mitad de tiempo para descargarse entre pico y pico. En la fórmula Vr = I/(f·C), al duplicarse f el rizado se reduce a la mitad con el mismo capacitor.
Se duplica la corriente de carga de una fuente. ¿Qué le pasa al rizado?
Se duplica, porque Vr es directamente proporcional a I. Para mantener el rizado hay que duplicar también el capacitor.
¿Cómo se conecta un diodo Zener y por qué?
En inversa: el cátodo (banda) hacia el positivo. Porque su función es trabajar en la zona de ruptura, donde la tensión se mantiene constante. Conectado en directa se comporta como un diodo común de 0,7 V y no regula nada.
En un regulador Zener, ¿cuál es la condición de trabajo más exigente para el diodo?
Con la carga desconectada y la tensión de entrada máxima: toda la corriente de RS pasa por el Zener y su disipación es máxima. Ese es el caso que hay que verificar contra la potencia nominal del diodo.
¿Qué mide realmente un multímetro en la escala de «diodo»?
Inyecta una corriente chica y conocida (típicamente 1 mA) y muestra la caída de tensión resultante. Por eso en un diodo de silicio en directa marca alrededor de 0,6 V: es su VF a esa corriente.