Fundamentos de Semiconductores y Diodos: Conceptos Clave en Electrónica

Fundamentos Esenciales de Semiconductores y Diodos

Exploramos los principios básicos que rigen el comportamiento de los materiales semiconductores y sus aplicaciones en la electrónica.

Conceptos Fundamentales de Semiconductores

Cristal

Es la forma que tiene un semiconductor en estado natural y se forma por cuatro electrones de valencia, los cuales son vecinos.

Enlace Covalente

Es la compartición de electrones entre átomos vecinos.

Contaminación (Dopaje)

Es la introducción de pequeñas impurezas en un semiconductor para aumentar su conductividad eléctrica.

Donador

Es la sustancia contaminante con más electrones libres. Se utiliza para crear un semiconductor de tipo N.

Receptor (Aceptor)

Es la sustancia contaminante que tiene huecos extra. También se le llama aceptor y se utiliza para crear un semiconductor de tipo P.

Conducción en un Semiconductor

Cuando se aumenta la temperatura, el semiconductor actúa como conductor, liberando un electrón y dejando un hueco en su lugar.

Clasificación de Materiales por Electrones de Valencia

• Conductores: Poseen 8 electrones de valencia.
• Semiconductores: Poseen 4 electrones de valencia.
• Aislantes: Poseen 1 electrón de valencia.

Bandas de Energía

Las bandas de energía describen los niveles energéticos que pueden ocupar los electrones en un material:

• Banda Prohibida: Zona donde no hay electrones.
• Banda de Conducción: Contiene electrones libres que pueden moverse y conducir electricidad.
• Banda de Valencia: Es donde se encuentran los electrones de valencia, fuertemente unidos a los átomos.

El Diodo: Principios y Aplicaciones

El diodo es un componente electrónico fundamental, clave en la conversión de corriente y en circuitos rectificadores.

Materiales del Diodo

Los diodos se fabrican comúnmente con silicio y germanio.

Propósito del Diodo

Su función principal es cambiar la corriente alterna (CA) a corriente continua (CC).

Origen y Aplicación del Diodo

A mediados de 1960, los diodos se desarrollaron con fines militares, buscando dispositivos pequeños, livianos y de bajo consumo de potencia.

Diodo Ideal

Es un dispositivo no lineal cuya curva característica se conoce como lineal por segmentos, ya que se construye con segmentos de rectas. Su comportamiento ideal se describe así:

• Si se polariza correctamente (en directa), se comporta como un cortocircuito (resistencia cero, hay corriente pero no voltaje).
• Si se conecta incorrectamente (en inverso), se transforma en una resistencia infinita o circuito abierto (hay voltaje pero no corriente).

Diodo en Polarización Inversa

Cuando el diodo está polarizado en inverso, hay una pequeña corriente de fuga. Esta corriente se produce siempre que la tensión aplicada sea inferior a la requerida para romper la unión PN.

Rectificación de Señales

La rectificación es el proceso de convertir una señal alterna en otra que se restringe a una sola dirección, esencial para la alimentación de dispositivos electrónicos.

Rectificación de Media Onda

Este proceso elimina el ciclo negativo de la señal. Si la tensión de entrada es positiva, el diodo se polariza en directa y se puede reemplazar por un cortocircuito (suponiendo que sea ideal). Si la tensión es negativa, el diodo se polariza en inverso y se puede reemplazar por un circuito abierto.

Rectificación de Onda Completa

En este tipo de rectificación, cuando la tensión es positiva, los diodos 1 y 4 conducen, mientras que los diodos 2 y 3 actúan como circuitos abiertos. Cuando la tensión es negativa, la situación se invierte, permitiendo que los diodos 2 y 3 conduzcan y los 1 y 4 se abran, logrando así una salida de onda completa.

Filtración de Onda Rectificada

Para suavizar la señal rectificada, se le añade un capacitor. Este se carga al valor de tensión más alto cuando la entrada alcanza su máximo (positivo o negativo). Cuando la tensión de entrada cae por debajo de ese valor, el capacitor se descarga a través de la resistencia de carga, reduciendo el rizado de la señal.

Otros Componentes Electrónicos

Bobina (Inductor)

Crea un campo magnético y guarda la energía en forma de corriente.

Condensador (Capacitor)

Guarda energía en forma de voltaje.