Componentes Semiconductores Fundamentales: Diodos, Transistores y Tiristores

Diodo Zener

Un diodo Zener es un tipo de diodo que conduce electricidad en polarización inversa al superar un voltaje específico, conocido como voltaje Zener (V_Z).

Comportamiento

• En sentido directo: Conductor (como un diodo rectificador normal).
• En sentido inverso:
  • Si la tensión es menor que V_Z: Aislante.
  • Si la tensión supera V_Z: Conductor (mantiene la tensión aproximadamente constante en V_Z).

Fotodiodo

El fotodiodo es un tipo de diodo que genera corriente cuando es expuesto a la luz, especialmente en polarización inversa. La cantidad de corriente generada es proporcional a la intensidad de la luz recibida.

Comportamiento

• En oscuridad: Poca o ninguna corriente (corriente de fuga).
• Iluminado: Genera corriente en polarización inversa, aumentando con la intensidad de la luz.

Aplicaciones

Utilizado en sensores automáticos, como la activación de luces y limpiaparabrisas en vehículos.

Funcionamiento en un Sistema de Sensor

Dos fotodiodos detectan luz ambiental y desde el frente del vehículo para ajustar la iluminación. Un LED envía luz al parabrisas; si está seco, se refleja, pero si está mojado, no hay reflexión, activando los limpiaparabrisas.

Transistor

El transistor es un componente semiconductor fundamental que permite la conmutación, amplificación, oscilación y rectificación de señales eléctricas.

Tipos Principales

• Transistor Bipolar de Unión (BJT): PNP y NPN.
• Transistor de Efecto de Campo (FET): MOSFET, JFET, etc. (El documento se centra en BJT e IGBT).

Transistor PNP (Positivo-Negativo-Positivo)

Está formado por tres capas semiconductoras dopadas en el orden P-N-P, conectadas a tres terminales.

Estructura y Terminales

• Emisor (E): Inyecta portadores de carga (huecos) en la base. Es la entrada de corriente convencional.
• Base (B): Capa delgada central que controla el flujo de corriente entre emisor y colector.
• Colector (C): Recoge los portadores de carga (huecos) provenientes del emisor. Es la salida de corriente convencional.

Estados de Conducción

• Estado de Corte: Sin corriente en la base, el transistor actúa como un aislante y no permite el paso de corriente del emisor al colector.
• Estado Activo: Con una pequeña corriente desde el emisor hacia la base, permite el paso de una corriente de colector (I_C) que es aproximadamente β veces mayor que la corriente de base (I_B). La ganancia β (beta) normalmente varía entre 50 y 500, pudiendo llegar hasta 1000.
• Estado de Saturación: Cuando la corriente en la base alcanza un valor crítico (I_B), la corriente de colector (I_C) se estabiliza y ya no aumenta más, incluso si I_B aumenta.

Transistor NPN (Negativo-Positivo-Negativo)

Compuesto por tres capas semiconductoras dopadas en el orden N-P-N.

Estructura y Terminales

• Colector (C): Recoge portadores de carga (electrones). Es la entrada de corriente convencional.
• Base (B): Capa delgada central que controla el flujo de corriente entre colector y emisor. La corriente de base circula en sentido opuesto al del transistor PNP (entra a la base).
• Emisor (E): Inyecta portadores de carga (electrones) en la base. Es la salida de corriente convencional.

Estados de Conducción

• Estado de Corte: Sin corriente en la base, el transistor actúa como aislante.
• Estado Activo: Con corriente en la base, permite el paso de una corriente desde el colector al emisor (I_C), que es aproximadamente β veces mayor que la corriente de base (I_B). La ganancia β varía entre 50 y 500, pudiendo llegar hasta 1000.
• Estado de Saturación: Cuando la corriente de base alcanza un cierto valor, la intensidad de colector a emisor (I_C) se estabiliza y no aumenta más.

Transistor IGBT (Transistor Bipolar de Puerta Aislada)

Es un tipo de transistor híbrido que combina características de los BJT y los MOSFET. Ha ganado importancia en la automoción, especialmente con la introducción de energías alternativas.

Características

• Soporta tensiones elevadas (hasta 300 V o más).
• Controla intensidades de cientos de amperios.
• Velocidades de conmutación relativamente altas (hasta 20 kHz o más).
• Bajas pérdidas de conducción (rendimiento típico del 98% o superior).

Conexión de Transistores

Conexión en Serie

Se conecta el terminal de salida de un transistor al terminal de entrada del otro para aumentar el voltaje que el conjunto puede soportar.

• Para transistores PNP: Conectar el colector del primero con el emisor del segundo.
• Para transistores NPN: Conectar el emisor del primero con el colector del segundo.

Permite controlar voltajes mayores a los que soporta un solo transistor. Por ejemplo, dos transistores que soportan 50 V pueden manejar hasta 100 V juntos. Es crucial polarizar adecuadamente las bases de todos los transistores para que el conjunto funcione correctamente.

Consideraciones Importantes

Conocer el voltaje y amperaje deseados es esencial; un pequeño error puede dañar los transistores y afectar otros componentes en el circuito.

Conexión en Paralelo

Se conectan todos los terminales correspondientes de los transistores entre sí (emisor con emisor, base con base, colector con colector).

Permite controlar corrientes superiores a la que cada transistor puede manejar individualmente. Por ejemplo, dos transistores que soportan 10 A pueden manejar un total de 20 A. La tensión aplicada es la misma para todos los transistores. Si las bases están correctamente polarizadas, los transistores conducen y la corriente total de salida es la suma de las corrientes individuales.

Conexión en Cascada (Darlington)

Los terminales de salida de un transistor se conectan a la base del otro, creando un único transistor con una ganancia de corriente muy alta.

En un montaje Darlington con transistores NPN, se conecta el emisor del primer transistor a la base del segundo.

Las ganancias de los transistores se multiplican, aumentando significativamente la ganancia total (ejemplo: dos transistores con ganancia 80 dan una ganancia total aproximada de 6400). Es útil para controlar intensidades altas con corrientes de polarización de base muy bajas. La limitación radica en las imperfecciones de los transistores; cualquier variación o ruido en la señal de entrada del primer transistor se amplificará considerablemente.

Fototransistor

Es un tipo de transistor que utiliza la luz para controlar la corriente entre colector y emisor mediante el efecto fotoeléctrico en la unión base-colector.

Estructura

Generalmente tiene solo dos terminales (colector y emisor), aunque algunos modelos pueden incluir un terminal de base para control adicional.

Estados de Conducción

• Estado de Corte: Sin luz o con luz débil; actúa como aislante.
• Estado Activo: Con luz moderada; permite la conducción eléctrica, con una corriente proporcional a la intensidad de luz recibida.
• Estado de Saturación: Con luz intensa; la corriente de colector alcanza un valor máximo y no aumenta más, incluso si la intensidad de luz sigue aumentando.

Aplicaciones

Se utilizan en sistemas que requieren fotosensibilidad, como:

• Activación automática de luces y limpiaparabrisas.
• Función antideslumbrante en retrovisores electrocromos.
• Sensores en sistemas de control (ej. automoción deportiva).
• Conmutación automática entre luces largas y cortas.

Tiristor

Un tiristor es un semiconductor de cuatro capas (PNPN) con tres terminales: ánodo (A), cátodo (K) y puerta o disparo (G).

Estados de Funcionamiento

• Estado de Corte (Bloqueo Directo): Con tensión positiva entre ánodo y cátodo pero sin señal en la puerta; actúa como aislante.
• Estado de Disparo: Con tensión positiva entre ánodo y cátodo y una señal de pulso positiva en la puerta; permite el paso de corriente del ánodo al cátodo.
• Estado de Conducción: Una vez disparado, el tiristor mantiene la conducción mientras la corriente que lo atraviesa sea superior a una corriente mínima de mantenimiento, incluso si se quita la señal de la puerta. Para que deje de conducir, la corriente debe reducirse por debajo de este umbral o la polaridad debe invertirse.

Aplicaciones

Comúnmente utilizados en:

• Sistemas de alarmas (mantienen activada la alarma tras una intrusión).
• Circuitos de control de potencia y rectificación en sistemas de energías alternativas y automoción.
• Reguladores de potencia para controlar la energía suministrada a cargas.