Fundamentos de Electrónica: Semiconductores, Diodos, Transistores y Circuitos Integrados

Fundamentos de Electrónica

La electrónica, a diferencia de la electricidad, estudia los principios físicos aplicados a materiales semiconductores. Mientras que la electricidad se enfoca en el flujo de electrones en conductores, la electrónica trabaja con el control de ese flujo en materiales con propiedades especiales.

Materiales Semiconductores

Los materiales semiconductores, como el silicio (Si) y el germanio (Ge), son la base de la electrónica moderna. Poseen 4 electrones en su última órbita, lo que les confiere una valencia de 4. Estos materiales forman dos tipos de estructuras cristalinas:

• Intrínsecos: Compuestos por un solo elemento, ya sea Si o Ge.
• Extrínsecos: Se obtienen mediante un proceso de impurificación, añadiendo átomos de otros elementos para modificar sus propiedades. Se clasifican en:
  • Tipo N (negativo): Se añaden elementos como el arsénico (As) o el antimonio (Sb), que aportan electrones adicionales.
  • Tipo P (positivo): Se añaden elementos como el galio (Ga) o el indio (In), que crean "huecos" (ausencia de electrones).

El Diodo

El diodo es un componente electrónico fundamental que permite el paso de la corriente eléctrica en una sola dirección. Está formado por la unión de un semiconductor de tipo P (ánodo) y uno de tipo N (cátodo).

Funcionamiento del Diodo

• Diodo sin Polarización Aplicada

  Cuando se unen un cristal semiconductor tipo P y uno tipo N, los electrones próximos al material tipo N atraviesan la unión y se recombinan con los huecos del material tipo P, y viceversa. Esto crea una zona de carga estática que es positiva en la zona N y negativa en la zona P.

• Diodo con Polarización Directa

  Al conectar el terminal positivo de una fuente de alimentación al material tipo P (ánodo) y el negativo al material tipo N (cátodo), los huecos del material P son repelidos por el polo positivo de la batería y los electrones del tipo N por el negativo. Esto produce un estrechamiento de la zona de carga estática, permitiendo el paso de la corriente eléctrica a través del diodo.

• Diodo con Polarización Inversa

  Si se conecta el polo positivo de la fuente al material tipo N (cátodo) y el negativo al material tipo P (ánodo), la tensión aplicada hace que la zona de carga estática se ensanche, impidiendo el paso de la corriente.

Tensión Umbral del Diodo

La tensión umbral del diodo (Vr) es la energía mínima necesaria para que se produzca el estrechamiento en la zona de transición entre los cristales P y N, permitiendo el paso del resto de la carga.

El Transistor

El transistor es un dispositivo semiconductor formado por tres cristales, que pueden ser NPN o PNP. Cada cristal tiene un terminal de conexión accesible desde el exterior:

• Base (B): Electrodo de control.
• Emisor (E): Inyecta portadores de carga hacia la base.
• Colector (C): Recoge los portadores de carga que provienen del emisor.

Funcionamiento del Transistor

• Corte

  Cuando no se aplica ninguna tensión a la base, la corriente no puede atravesar las dos zonas de carga estática.

• Activa

  Al aplicar una tensión a la base, se estrechan las zonas de transición, permitiendo el paso de una cierta cantidad de corriente.

• Saturación

  Cuando se aplica suficiente tensión en la base, las zonas de transición se estrechan al máximo, permitiendo que circule la máxima corriente posible desde el emisor al colector.

Circuitos Integrados y Relés

Los circuitos integrados (CI) se construyen sobre chips de materiales semiconductores, como el Si y el Ge, sobre los que se sueldan los componentes. Los relés son dispositivos electromagnéticos de conmutación que complementan a los transistores en aplicaciones de control.