Conceptos esenciales de electrónica: tensión, semiconductores, diodos y MOSFET

Defina tensión e intensidad

Tensión: La tensión es el trabajo que necesito para mover una unidad de carga de un punto a otro. (Ej.: pila)

Intensidad: La intensidad es la cantidad de carga que atraviesa una sección en un determinado tiempo. Que exista tensión no implica que exista intensidad.

Semiconductores intrínsecos y extrínsecos

Intrínsecos: Un semiconductor intrínseco es puro, es decir, no tiene impurezas intencionales y presenta únicamente el comportamiento propio del material.

Extrínsecos: Los semiconductores extrínsecos están dopados; se les añaden átomos de impurezas para modificar su conductividad.

Ventajas de la electrónica digital frente a la analógica

• Facilidad para transmitir información.
• Códigos para detección y corrección de errores.
• Facilidad para procesar y almacenar datos.
• Posibilidad de compresión de datos.
• Menor consumo de potencia en muchas aplicaciones.
• Estabilidad y repetibilidad de las señales.
• Programabilidad y reconfiguración.

Los circuitos analógicos procesan señales continuas de tensión e intensidad, mientras que los digitales procesan señales discretas (niveles lógicos) en tensión e intensidad.

Clasificación de amplificadores en función del consumo de potencia

• Amplificadores de señal: Suelen tener ganancia alta (A >> 1), pero la mayor parte de la potencia suministrada por la fuente se disipa internamente (Po << Pcc).
• Amplificadores de potencia: Suelen tener una ganancia de señal próxima a 1, pero tienden a entregar a la salida la mayor parte de la potencia consumida de la fuente (Po ≈ Pcc).

Diodo de unión

Un diodo de unión es un componente formado por la unión de dos materiales semiconductores dopados de distinto tipo, formando una unión PN.

Estructura

P    zona de agotamiento    N

huecos          electrones

Las impurezas de tipo P son aceptoras (receptoras de electrones) y las de tipo N son donadoras (aportan electrones).

Aplicaciones de diodos

• Rectificador: circuito capaz de convertir una señal alterna en una señal continua o unidireccional.
• Limitador: circuito que elimina una porción de la señal de entrada que esté fuera de los niveles de referencia (protección contra sobretensiones).

Transistor de efecto campo (FET)

El transistor de efecto campo es un dispositivo semiconductor de tres terminales que regula la tensión y la corriente, actuando como interruptor, resistencia variable o amplificador de señal.

Características del MOSFET

• Ocupa poco espacio y permite alta densidad de integración.
• Bajo consumo, alta velocidad de conmutación.
• Actúa como resistencia o interruptor y es relativamente sencillo de fabricar.

Aplicaciones: resistencia variable, amplificador y interruptor.

Funcionamiento por regiones

• Interruptor: Debe operar en la región de corte (apagado) o en la región óhmica/de conducción (encendido) para funcionar como interruptor.
• Resistencia: En la región óhmica el dispositivo actúa como una resistencia controlada por la puerta.
• Amplificador: En la zona de saturación (región activa) el MOSFET puede operar como amplificador.

Si cortocircuitamos S y G (Source y Gate) el transistor está en zona de corte. Son sensibles a la electricidad estática porque tienen parámetros de tensión que no deben superarse; la descarga electrostática provoca picos de tensión que pueden dañar el dispositivo.

Diodos: consideraciones adicionales

Los diodos necesitan una resistencia en serie que limite la cantidad de corriente que circula por ellos, ya que presentan una baja resistencia directa y, si se supera la corriente máxima, se dañan.

• Diodo de unión: aplicaciones en puertas lógicas, rectificadores y limitadores.
• Diodo Schottky: tiempo de conmutación rápido y menor caída directa.
• Diodo Zener: diseñado para operar en régimen de avalancha controlada (regulación de tensión).
• Fotodiodo: genera corriente eléctrica cuando incide luz sobre él.
• Diodo LED: emite luz cuando circula corriente en polarización directa.

Efecto de la temperatura en semiconductores

Al aumentar la temperatura aumenta la agitación térmica de los electrones, lo que incrementa la conductividad y disminuye la tensión umbral del dispositivo. En general, un mayor calor favorece la conducción en semiconductores (a costa, en muchos casos, de mayor ruido y variaciones de parámetros).

Electrónica digital programable

Los dispositivos lógicos programables contienen una estructura regular y flexible que permite definir su función mediante programación.

• PAL (Programmable Array Logic): suelen ser programables una sola vez (one-time programmable) mediante fusibles o enlaces, por lo que no son reprogramables en campo.
• FPGA (Field Programmable Gate Array): reprogramables; consisten en múltiples celdas lógicas y redes de interconexión que permiten implementar funciones más complejas mediante programación en lenguajes específicos (VHDL, Verilog, etc.).

¿Qué sensor usaría para adquirir señales acústicas de una guitarra?

Se podría usar un sensor piezoeléctrico (sensor de fuerza). Es un sensor que genera una tensión eléctrica al someterlo a un esfuerzo mecánico (vibración). No son adecuados para medir fuerzas estáticas, pero tienen alta sensibilidad para señales dinámicas y ofrecen rigidez mecánica suficiente en aplicaciones de captación sonora (pickup piezoeléctrico).

Modelo ideal de diodo

El modelo ideal de diodo permite la conducción de corriente cuando está polarizado en directa y no permite la conducción cuando está polarizado en inversa.