Fundamentos del Enlace Metálico, Semiconductores y Transistores: Teoría y Aplicaciones
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Enlace Metálico y Teoría de Bandas
El enlace metálico es la fuerza de unión que existe entre los átomos de un metal. Existen dos teorías principales que lo explican: la nube electrónica y la teoría de bandas.
Teoría de Bandas
Al combinarse los átomos, se forman orbitales moleculares (OM) que pertenecen a toda la molécula. Con la combinación lineal de dos orbitales atómicos (OA), se obtienen dos OM que corresponden a dos niveles energéticos: uno con mayor energía que los OA (OM antienlazante) y otro con menor energía (OM enlazante). Al combinarse orbitales s entre sí, se forman OM sigma (σ), y al combinarse px y py, se forman OM pi (π).
Banda de Valencia
La banda de valencia se produce cuando un metal tiene dos electrones en los orbitales s y la banda de energía está llena.
Banda de Conducción
La banda de conducción se forma al combinarse los orbitales p vacíos.
Semiconductores
Los semiconductores son aislantes en condiciones normales, pero un aumento de la temperatura proporciona la energía suficiente para que los electrones salten a la banda de conducción, dejando huecos.
Conductividad Intrínseca
La conductividad intrínseca se produce cuando los electrones y los huecos se pueden mover debido a campos eléctricos externos.
Dopado de Semiconductores
El dopado de semiconductores es una forma de excitar la conductividad eléctrica. En el caso del germanio (Ge) y el silicio (Si), se utilizan como impurezas elementos de los grupos 3 y 5.
Conductividad Extrínseca
La conductividad extrínseca se da cuando el quinto electrón de un elemento de la quinta columna se queda ligado débilmente al núcleo y se convierte en libre con una energía de 0.01 eV.
La Unión P-N: El Diodo
Al unir dos semiconductores (N y P), se produce una difusión de electrones y huecos entre ellos. En la zona próxima a la unión, aparecen cargas eléctricas negativas en la parte P y positivas en la N.
Aplicación de una Tensión Exterior a la Unión P-N
- Polarización directa: Se conecta el polo negativo al semiconductor N y el positivo al P.
- Polarización inversa: Se conecta al contrario.
El Diodo y el Diodo Zener
El diodo es un componente electrónico que permite el paso de la corriente en un solo sentido.
Diodo Zener
El diodo Zener utiliza el efecto de característica inversa de una unión p-n. A una tensión de Zener inversa, se produce la conducción por avalancha con una intensidad elevada y limitada solo por la resistencia del circuito.
El Transistor
El transistor está formado por la unión alternada de tres semiconductores extrínsecos n y p. El transistor funciona con la unión emisor-base polarizada en directo y la unión colector-base en inverso. De esta manera, el emisor inyecta electrones a la base, que la atraviesan porque es muy estrecha y llegan al colector.
La corriente del colector (Ic) consta de dos componentes:
- Los portadores que vienen del emisor y que dependen del tamaño, la forma y el dopado del emisor.
- La corriente de fugas del colector debido a la polarización inversa entre él y la base.
La corriente de un transistor es igual a una constante de proporcionalidad por la corriente de la base.
Zonas de Operación del Transistor
- Zona de corte: El transistor se comporta como un interruptor abierto (IB = 0).
- Zona de saturación: El transistor se comporta como un cortocircuito o como un interruptor cerrado.
- Zona activa: La relación I-V se puede considerar lineal.
Utilidades de un Transistor
Si se quiere utilizar el transistor como amplificador, se intenta que funcione en la zona activa. Si se emplea en conmutación, se utiliza en la zona de corte.
Transistor de Campo (FET)
El transistor de campo (FET) se divide en dos grupos: JFET y MOSFET.
JFET
Los JFET constan de una capa delgada de material tipo n, con dos contactos que se llaman fuente (S) y drenaje (D). Tiene dos islas tipo P unidas para formar el tercer terminal, la puerta (G).
MOSFET
El MOSFET está formado por un sustrato P, en el que se difunden dos islas n que son la fuente y el drenaje. La zona entre ambas se cubre con una capa de SiO2 y encima se deposita una capa metálica donde se toma el contacto de puerta. Los MOSFET son de dos tipos: de acumulación y de deplexión.
Tiristor y SCR
El tiristor se utiliza para realizar funciones de control, como conmutación, rectificación, controlador, conversión de frecuencia o control de potencia eléctrica. Pueden ser de dos tipos: unidireccionales y bidireccionales.
SCR (Rectificador Controlado de Silicio)
El SCR es unidireccional y está formado por un cristal de Si con cuatro capas alternadas PNPN.
Zonas de Operación del SCR
- Zona de bloqueo negativo: Cuando el SCR se polariza inversamente, solo circula la pequeña corriente de fugas y, si la tensión alcanza un valor elevado, se producirá conducción por avalancha.
- Zona de bloqueo positivo: Del estado de bloqueo se pasa a la conducción alcanzando la tensión de ruptura.