Diseño electrónico análogo (página 2)

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ficos. Se reseña la
curiosidad científica que ha tenido el hombre desde tiempos inmemoriales por las propiedades de la
electricidad. El conocimiento científico de la electricidad dio lugar, inmediatamente, a aplicaciones
tecnológicas importantes. Éstas incluyen al telégrafo, con el que el hombre pudo comunicarse por
medios eléctricos, y a las máquinas eléctricas, o sea, motores eléctricos y generadores de
electricidad. De esta forma, el hombre tuvo a su disposición fuentes de corriente eléctrica de gran
intensidad, hecho que cambió drásticamente la vida, dando lugar a una revolución en la forma de vida
de la humanidad, cuyas consecuencias fueron la iluminación eléctrica y el teléfono, entre otras.
Nacimiento de la electrónica:
Como hacia el fin de siglo XIX ya se había inventado el micrófono, que transforma una señal acústica
en una eléctrica. Por otro lado, ya se había inventado el audífono, aparato que transforma una señal
eléctrica en una acústica. En este sistema las voces se distorsionaban mucho, la energía con que se
emitía la onda era muy pequeña. Además, el hecho de que la fracción de energía que llegaba al
receptor era muy pequeña, hacía difícil su funcionamiento para distancias grandes. La solución más
satisfactoria fue lograda una vez que se inventó el tubo al vacío.
Desde el siglo XVIII algunos investigadores habían descubierto que si se calienta una superficie
metálica, ésta emite cargas eléctricas. Sin embargo, fue Thomas A. Edison quien volvió a
"desenterrar" este efecto en 1883, cuando trataba de mejorar su lámpara incandescente. Este efecto,
que se llamó "efecto Edison", también recibe el nombre de termiónico. Fue el mismo Edison quien
inventó un dispositivo en el cual la carga eléctrica emitida por la superficie metálica caliente (llamada
cátodo) es recogida por otra superficie fría (llamada ánodo), lográndose de esta forma una corriente
eléctrica. En la figura 1 se muestra cómo Edison construyó su dispositivo. Edison encerró los dos
electrodos, el ánodo y el cátodo, dentro de un tubo de vidrio al vacío que también utilizaba para
elaborar sus lámparas de iluminación.
Por otro lado, en el año de 1897 el físico inglés J. J. Thomson (1856-1940) descubrió la existencia de
una partícula eléctricamente cargada, el electrón. Thomson demostró experimentalmente que el
electrón tenía carga eléctrica negativa. En el año de 1906 Thomson recibió el Premio Nobel de Física
por su descubrimiento.
En 1899 J.J. Thomson estableció que las cargas que se liberaban al calentar la superficie metálica
eran electrones.
En 1903 el físico británico John Ambrose Fleming (1849-1945) fue el primero en encontrar una
aplicación práctica del efecto Edison. Fleming era asesor de una compañía telegráfica y le habían
encomendado la tarea de encontrar un mejor detector de ondas electromagnéticas. L a compañía
utilizó como detector de ondas un cohesor, no muy eficaz. A partir de 1900, en algunos diseños de
receptores, se usaban cristales de galena o de pirita de hierro como detectores que por cierto fueron
las primeras componentes de estado sólido empleadas en electrónica. Fleming recordó su trabajo
anterior sobre el efecto Edison, y encontró una solución en este tipo de lámpara eléctrica.
El avance más importante en el desarrollo de la electrónica fue dado por el físico estadounidense Lee
de Forest (1873-1961), en 1906, al introducir en el tubo al vacío un tercer electrodo reticulado,
llamado rejilla, que permite el paso de electrones. Esta rejilla se coloca entre el cátodo y el ánodo,
como se ve en la figura 2. De Forest llamó a su dispositivo audión, aunque más tarde se le llamó

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tríodo. Tuvo que trabajar con diferentes dispositivos antes de conseguir el tríodo. El tríodo lo hace
incorporar la señal y amplificar su intensidad.
A partir de 1907, hasta 1912, De Forest trabajó en el diseño de un sistema de radio, muy rústico, el
cual trató de vender a los aficionados de la radio y a las fuerzas armadas. También formó una
compañía para poder competir con la ATT en comunicaciones de larga distancia. Su radio podía
transmitir y recibir voces, pero no pudo conseguir que sus triodos amplificaran en forma confiable.
Hacia 1912 De Forest había alcanzado cierto control en el comportamiento del tríodo. Redujo la
amplificación(el voltaje de la batería del ánodo). Esta reducción la compensó conectando varios
triodos.
Así construyó un amplificador, De Forest propuso su venta a la ATT. Cuando De Forest hizo la
demostración de su amplificador a la ATT en octubre de 1912, los físicos de la empresa, Harold D.
Arnold, Frank Jewett y Edwin Colpitts inmediatamente se percataron de que ese sistema era lo que
buscaban.
Dirigido por Arnold, la ATT inició un proyecto de investigación para entender y dominar los principios
físicos del funcionamiento del tríodo y así poder construirlo eficazmente. En el transcurso de dos años
Arnold y un grupo de 25 investigadores y asistentes de la ATT transformaron el débil y no muy
confiable audión, en un amplificador muy potente y seguro. El tríodo así mejorado hizo posible que el
servicio telefónico abarcara de costa a costa a Estados Unidos.
Otras compañías hicieron progresos significativos y la electrónica con tubos al vacío se desarrolló de
manera impresionante de 1912 a 1932.
Durante la primera Guerra Mundial se usó mucho la radio y se construyeron tubos al vacío en
grandes cantidades. Se utilizaron en 1915, en la radiotelefonía trasatlántica, para comunicar a Francia
y Estados Unidos.
A principios de la década de 1930 se construyeron tubos al vacío con más elementos entre el cátodo
y el ánodo; éstos fueron el tetrodo, el pentodo.
Desarrollo de la Radio.
Un elemento crucial para el desarrollo de la radio fue el oscilador. Este circuito fue inventado en 1913
por el físico estadounidense Edwin Howard Armstrong (1890-1954). Es un circuito basado en un
tríodo, de cuya salida se toma una parte de la corriente que se vuelve a alimentar a la entrada del
tríodo, formando un circuito de retroalimentación. El primer programa público de radio fue emitido en
Inglaterra el 23 de febrero de 1920. Así nació radio.
En 1933 Armstrong inventó otro tipo de emisión de señales de radio: el de frecuencia modulada (FM).
La transmisión por FM, iniciada comercialmente en Estados Unidos en febrero de 1941, comparada
con la amplitud modulada (AM), tiene la ventaja de que sus transmisiones no se alteran con las
perturbaciones, ya sean atmosféricas o producidas por el hombre, que afectan la amplitud de la onda
pero no su frecuencia. En el sistema de FM no se presenta el llamado fenómeno de "estática", que es
un ruido sistemático que se oye en emisiones de AM.
La radio como la conocemos en la actualidad fue la creación de tres hombres: Lee de Forest,
autonombrado "padre de la radio", cuya invención del tríodo hizo posible el nacimiento de la
electrónica moderna; Edwin Howard Armstrong, inventor del circuito retroalimentador (y del oscilador)
así como de la frecuencia modulada, que forman la base de la transmisión y recepción de los
sistemas actuales de radio (y de televisión); finalmente, David Sarnoff, quien encabezó la Radio
Corporation of America (RCA).

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Desarrollo de la Televisión.
Hace alrededor de un siglo, varias personas empezaron a considerar la posibilidad de enviar
imágenes por medios eléctricos (o sea, lo que hoy en día hace la televisión). En 1884, el alemán Paúl
Nipkow solicitó una patente para un sistema de televisión que él denominó "telescopio eléctrico". Este
rústico aparato era dispositivo electromecánico que utilizaba una fotocelda para transformar luz en
corriente eléctrica. La imagen no reproducía los detalles finos. Variaciones de este se diseñaron
hasta 1930 sin que realmente tuviesen éxito.
En una reunión de la Sociedad Roentgen, efectuada en Inglaterra en 1911, el ingeniero eléctrico A. A.
Campbell Swinton presentó un esquema de sistema de televisión, que es el que se usa en la
actualidad. La escena que se desea transmitir se enfocaría sobre una placa hecha de material no
conductor de electricidad, por ejemplo de mica, la cual se encuentra dentro de un tubo de rayos
catódicos. Este tubo fue inventado a mediados del siglo XIX por William Crookes para estudiar las
propiedades de las corrientes eléctricas a través de gases. Para el receptor, Campbell Swinton
escogió un tubo de rayos catódicos diseñado en 1897 por Ferdinand Braun, de la Universidad de
Estrasburgo, en ese entonces parte de Alemania. Este tubo, llamado cinescopio, es de vidrio al vacío
y tiene en su fondo una pantalla de material fluorescente, como fósforo, que emite luz cuando un haz
de electrones incide sobre él.
A medida que el haz electrónico barre la superficie de la pantalla, ésta se va iluminando punto por
punto. Esta fue una idea de Campbell Swinton que casi describe la actual tecnología de la televisión.
Campbell Swinton creó el diseño conceptual sobre el cual personas trabajarían. Fue Vladimir
Zworykin (1889-1982), un ingeniero ruso inmigrado a Estados Unidos en 1919 quien construyó la
primera cámara práctica. En 1924 mostró a la compañía Westinghouse una versión primitiva, pero
que funcionaba. Las imágenes eran débiles y vagas, casi sombras. Los directivos de la empresa no
se impresionaron tampoco cuando Zworykin les mostró una versión mejorada en 1929.
A quien sí impresionó Zworykin fue a David Sarnoff, director de otra compañía, la RCA Victor, quien
creía en la promesa comercial de la televisión.
Zworykin fue contratado en 1930 por la RCA como director de investigación electrónica y en 1933
finalmente convenció a Sarnoff de que su cámara, a la que llamó iconoscopio (del griego iekon,
imagen, y skopon, ver), y su cinescopio eran satisfactorios. Campbell Swinton había propuesto que
fueran de rubidio, pero Zworykin descubrió que era mejor cubrir plata con óxido de cesio.
La RCA probó por primera vez un sistema completo en 1933. Transmitió imágenes de 240 líneas a
una distancia de siete kilómetros en Colligswood, Nueva Jersey. Aumentaron el número de líneas;
actualmente se usan 525. En 1938 la RCA tuvo listo un sistema de televisión en funcionamiento. Por
problemas burocráticos el gobierno no aprobó la licencia de funcionamiento hasta julio de 1941.
Durante los años de la segunda Guerra mundial, científicos e ingenieros dirigidos por Zworykin
desarrollaron una cámara 100 veces más sensible que el iconoscopio, al terminar la guerra, la RCA
reinició sus trabajos en el campo de la televisión.
Integración de chips, computadoras…
El transistor, se empezó a utilizar a finales de la década de 1940, se consideró en su época como una
maravilla de lo compacto, comparado con el tamaño de los tubos al vacío. A partir de 1950 el tamaño
de los dispositivos electrónicos se ha reducido. En 1960, se empezó a usar la palabra
microelectrónica, un bloque (chip) de silicio de un área de 0.5 cm² podía contener de 10 a 20
transistores con varios diodos, resistencias y condensadores. Hoy en día tales bloques pueden
contener varias docenas de miles de componentes.

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A medida que la microtecnología electrónica se desarrolló, se aplicó a computadoras comerciales. Se
diseñaron diferentes dispositivos portátiles como las calculadoras. Cada componente que se usaba
en un circuito electrónico estaba hecho de materiales que tuviesen las características requeridas para
su funcionamiento. Se utilizó el tungsteno para los cátodos de un tubo al vacío, cerámica para
condensadores, carbón para resistencias.
Hacia mediados de la década de 1950 se construyeron circuitos electrónicos en laboratorios
industriales de dos compañías estadounidenses, Texas Instruments y Fairchild Semiconductor. De
esta manera se han construido un sinnúmero de aparatos y dispositivos microelectrónicos que
distinguen la época en que vivimos: relojes de mano, robots, microcomputadoras y otros.
Desarrollo de la electrónica en el mundo.
En computación, el hardware configurable, la computadoras ópticas y la computación molecular. En
las computadoras ópticas haces de luz remplazan a las conexiones metálicas (de cobre). Estas
serán de mayor capacidad, más rápidas, de menor consumo energético y ocuparan menos espacio.
En transporte terrestre, los trenes voladores MAGLEV (Magnetically Levitated Vehicles), los
automóviles eléctricos y electrónicos, y los automóviles inteligentes serán las tecnologías
responsables del desplazamiento rápido y seguro de las personas. Los trenes voladores son
vehículos que corren a velocidades cercanas a los 500 Km/h. Electroimanes de gran potencia se
usan para generar las fuerzas de suspensión, conducción, tracción y frenado del tren. El tren japonés
HSST con suspensión magnética repulsiva, y el Transrapid alemán con suspensión magnética
atractiva, son dos prototipos MAGLEV que en la práctica han demostrado que velocidades cercanas a
los 500 Km/h son posibles.
En los automóviles eléctricos, los motores de combustión son remplazados por motores eléctricos
alimentados por baterías recargables. Estos automóviles eléctricos son más eficientes (en términos
de energía/distancia) y más limpios (no emiten gases contaminantes) que los vehículos con motores
de combustión. Estos surgen como una respuesta necesaria a la contaminación ambiental y al
agotamiento de las reservas mundiales de petróleo.
En los automóviles electrónicos, las conexiones mecánicas son remplazadas por cables eléctricos
que conectan las diferentes partes del vehículo. Los automóviles inteligentes son vehículos capaces
de cooperar con el conductor (copiloto automático) o capaces de asumir todas las funciones del
conductor (piloto automático). Estos vehículos vendrán equipados con sistemas de navegación
basado en satélites (sistemas GPS), con video-cámaras para "ver", con micrófonos para "escuchar" y
con parlantes para "hablar".
Junto con los automóviles inteligentes se tendrán también las pistas inteligentes que se encargan de
conducir vehículos sin la necesidad de un conductor. Las pistas inteligentes se han planteado como
una solución a las insoportables congestiones de tránsito vehicular. El Sistema de Autopistas
Automáticas de Alta Velocidad (Automated Highway System) que se viene desarrollando en
California, EE. UU.
En el campo de las comunicaciones, las redes completamente ópticas se impondrán como la
tecnología más eficiente para transmisiones intensivas en data (voz, fax, video) entre millones de
terminales. En teoría una fibra óptica simple puede transmitir a una velocidad de 100 veces superior a
la velocidad de transmisión en cables de cobre.
La tecnología láser ha evolucionado rápidamente desde su comienzo a mediados de 1950. El
Sistema de Láser Aerotransportado (ABL) y Sistema Láser Basado en el Espacio (SBL) son

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precursores de una clase enteramente nueva de armamento. El aprovechamiento del láser para la
desviación de escombros en órbita es algo está en investigación.
La desviación con láseres de asteroides, meteoritos, y cometas es probablemente la misión espacial
internacional más importante para nuestro planeta: la Tierra, en el siglo que comienza. La Tierra ha
recibido impactos varias veces en el pasado y recibirá impactos semejantes en el futuro.
Las máquinas inteligentes, los materiales inteligentes y el software inteligente serán una realidad
considerando la gran rapidez que tendrán los futuros microprocesadores. Las máquinas inteligentes
serán capaces de aprender, inferir, pensar, juzgar, memorizar, recordar y mejorar de manera muy
similar a la del ser humano.
Los materiales inteligentes son aquellos capaces de modificar su estructura interna de manera que no
se dañen ante el efecto de sobrecargas (como terremotos).
Se tienen las cámaras y video-cámaras digitales (no más revelado de fotos), las cirugías
laparascópicas computarizadas, los órganos artificiales, los robots que harán actividades del hogar e
industrias.
I. DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES
Un semiconductor es un elemento material cuya conductividad eléctrica puede
considerarse situada entre las de un aislante y la de un conductor, considerados en orden
creciente
Los semiconductores más conocidos son el silicio (Si) y el germanio (Ge). Debido a
que, como veremos más adelante, el comportamiento del silicio es más estable que el
germanio frente a todas las perturbaciones exteriores que pueden variar su respuesta
normal, será el primero (Si) el elemento semiconductor más utilizado en la fabricación de
los componentes electrónicos de estado sólido. A él nos referiremos normalmente,
teniendo en cuenta que el proceso del germanio es absolutamente similar.
Como todos los demás, el átomo de silicio tiene tantas cargas positivas en el núcleo,
como electrones en las órbitas que le rodean. (En el caso del silicio este número es de
14). El interés del semiconductor se centra en su capacidad de dar lugar a la aparición de
una corriente, es decir, que haya un movimiento de electrones. Como es de todos
conocido, un electrón se siente más ligado al núcleo cuanto mayor sea su cercanía entre
ambos. Por tanto los electrones que tienen menor fuerza de atracción por parte del núcleo
y pueden ser liberados de la misma, son los electrones que se encuentran en las órbitas
exteriores. Estos electrones pueden, según lo dicho anteriormente, quedar libres al
inyectarles una pequeña energía. En estos recaerá nuestra atención y es así que en vez
de utilizar el modelo completo del átomo de silicio (figura 1), utilizaremos la representación
simplificada (figura 2) donde se resalta la zona de nuestro interés.

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La zona sombreada de la figura 2 representa de una
manera simplificada a la zona sombreada de la figura 1

Como se puede apreciar en la figura, los electrones factibles de ser liberados de la
fuerza de atracción del núcleo son cuatro

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1. TEORÍA BANDAS. CONDUCTORES Y AISLANTES.
En los átomos aislados, es decir, tan alejados de otros que no sea apreciable la
interacción con éstos, los electrones corticales están distribuidos energéticamente según
valores discretos que vienen determinados por las soluciones de la ecuación fundamental
de la Mecánica Cuántica que es la Ecuación de Schrödinger (E.S.) (Schrödinger y
Dirac, Nobel de Física en 1933). A cada electrón cortical corresponden 4 números
denominados números cuánticos: n, l, ml, y ms. El número cuántico n determina el nivel
energético o lo que es lo mismo su mayor o menor alejamiento del núcleo. La energía de
los electrones es negativa (hay que aportar energía para desligarlos del átomo) y mayor
energía equivale a más alejamiento del núcleo. Así pues, los electrones sólo pueden
poseer unos niveles energéticos determinados, y cualquier otra energía estaría
"prohibida". Este modelo de niveles de energía discretos, está de acuerdo con las
observaciones sobre emisión y absorción de luz en gases incandescentes, donde se
observan espectros discretos.
En un sólido cristalino existe una distribución regular de átomos en el espacio, que
constituye la llamada red cristalina. En algunos sólidos esta distribución regular se
manifiesta macroscópicamente en formas geométricas llamadas cristales, (cuarzo,
diamante,..).
En los sólidos cristalinos, las interacciones entre los átomos de la red hacen que el
problema de la distribución energética de los electrones sea muchísimo más complicado
que en un átomo aislado pero, dentro de los postulados, resulta razonable suponer que
los niveles permitidos al conjunto de electrones del sólido, se acumulan en bandas de
energía separadas unas de otras por intervalos o bandas de energía prohibidas. La
emisión de luz por sólidos incandescentes es un hecho experimental que avala la anterior
hipótesis. Dentro de cada banda permitida los niveles estarían tan próximos entre sí, que
las consideraremos bandas permitidas continuas.
Si suponemos un sólido cristalino a la temperatura de 0 K (situación inalcanzable), los
electrones ocuparían los niveles de energía permitidos más bajos posible. Cabrían dos
posibilidades:
1. La banda permitida de mayor energía está ocupada parcialmente.
2. La banda permitida de mayor energía está totalmente vacía y todas las demás
están llenas.
La banda de mayor energía, tanto si está vacía ó parcialmente llena, se llama banda de
conducción, mientras que la siguiente de menor energía la llamaremos banda de
valencia. En el primer caso, los electrones de la banda de conducción pueden tomar
energía de un campo eléctrico aplicado y pasar a niveles superiores compatibles con el
principio de exclusión de Pauli incrementando su momento cinético. La interacción con
partículas del cristal podrá dar lugar a saltos de energía a la inversa. Esto supone desde
luego el abandono del cero absoluto y la aparición de un desplazamiento de la carga
eléctrica, es decir una corriente. El material por tanto sería un conductor. Tal es el caso de
los metales. En el segundo caso, en las bandas totalmente llena no son posibles las
interacciones que supongan saltos de unos niveles a otros, según el principio de
exclusión. Las interacciones posibles implicarían saltos a la banda de conducción (que
está totalmente vacía), pero la cantidad de energía necesaria sería muy grande y el

DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO
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proceso no puede darse cerca del cero absoluto. Por lo tanto, a bajas temperaturas, el
material tiene un comportamiento de aislante. Es el caso de los materiales no metálicos
con enlaces cristalinos covalentes.
La distinción clara entre metales y no metales a bajas temperaturas desaparece cuando
nos alejamos del cero absoluto. En efecto, la agitación térmica permite los saltos desde la
banda de valencia a la de conducción, con lo que ésta aparece parcialmente ocupada
como en los metales.
En los metales a temperaturas de trabajo, un aumento de la temperatura se traduce en un
aumento de la agitación térmica, lo que a su vez produce una mayor frecuencia de las
interacciones entre electrones y partículas y por consiguiente, una disminución del
recorrido medio de los electrones entre choques, una disminución de la velocidad media
de los mismos y finalmente una disminución de la conductividad.
En los materiales cristalinos no metálicos, un incremento de la temperatura aumenta la
probabilidad de saltos desde la banda de valencia a la de conducción. Al quedar ambas
parcialmente ocupadas, ya son posibles los intercambios de energía entre niveles de la
misma banda. A la vez aumenta la agitación térmica como en los metales. Se trata de los
mecanismos opuestos y no se puede afirmar si la conductividad aumentará o disminuirá.
De hecho puede ocurrir lo uno por otro, según el orden de magnitud de la temperatura.
En los metales, los electrones que ocupan la banda de conducción son los electrones no
ligados a átomos individuales y constituyen lo que suele denominarse gas de Fermi. La
imagen no cuántica (clásica) sería la de una especie de plasma de electrones en el que
están inmersos los átomos ionizados (enlaces metálicos). El resto de los electrones
ligados a átomos individuales ocuparían las bandas inferiores (totalmente llenas).
2. SEMICONDUCTORES. ELECTRONES Y HUECOS.
2.1 Semiconductores intrínsecos.
El semiconductor más importante es sin duda el silicio (Si)
de número atómico 14 y perteneciente al grupo IV-A de la
clasificación periódica, grupo al que también pertenecen el
carbono (C, número atómico 6) y el germanio (Ge, número
atómico 32). Los elementos de este grupo se caracterizan
por poseer en la última capa cuatro electrones. Cristalizan
todos ellos en el mismo sistema y la celda y unitaria es un
tetraedro regular con un electrones cada vértice y uno más
en el centro. El enlace covalente consiste en la compartición
de los cuatro electrones de valencia de cada átomo con los
cuatro átomos contiguos para simular así una estructura con ocho electrones en la capa
más externa, que corresponde a un estado cristalino de gran estabilidad.
La anchura de la banda prohibida es muy diferente para estos tres materiales. Para el
carbono (estructura diamante) es de unos 13 eV, la del silencio es de 1,1 eV
aproximadamente y la del germanio 0.7 eV. La del carbono resulta tan grande que la
probabilidad de saltos entre banda de valencia y banda de conducción es prácticamente
nula y el material es un aislante. Para el germanio y silicio el valor es tal que la

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probabilidad no es nula y además depende fuertemente de la temperatura. Por ello estos
dos materiales que forman parte del grupo de los llamados semiconductores.
Como hemos visto, fuera del cero absoluto, tanto en la banda de conducción como en la
banda de valencia existen electrones y niveles desocupados, por lo que, al aplicar un
campo eléctrico, se puede producir una absorción de energía por parte de los electrones y
por lo tanto un arrastre de los mismos. Hay por lo tanto una corriente eléctrica en la que
intervienen las bandas de conducción y de valencia.
En la banda de conducción el mecanismo es análogo al que se explica la conductividad
de los metales. En la de valencia, el mecanismo puede interpretarse de forma diferente.
Cada nivel desocupado corresponde al abandono de un electrón que ha pasado a la
banda de conducción, o dicho de otra forma, a la rotura de un enlace covalente. Si en la
banda de valencia, un electrón cambia de nivel como consecuencia de su arrastre por un
campo eléctrico, o sea, un electrón de un enlace covalente intacto lo abandona y pasa a
completar otro previamente roto, podríamos describir este mecanismo como si lo que se
desplazara fuese el enlace roto en lugar del electrón. Naturalmente el enlace roto, que
corresponde a un nivel desocupado, se desplaza en sentido contrario a los electrones.
Resulta conveniente considerar al enlace roto como una carga eléctrica móvil, a la que
denominaremos un hueco, e interpretar la corriente eléctrica como formada por dos tipos
de portadores: los electrones de la banda de conducción (cargas móviles negativas) y los
huecos de la banda de valencia (cargas móviles positivas).
Estamos suponiendo un cristal sin impurezas ni
defectos. Un semiconductor así se denomina
semiconductor intrínseco. Los portadores de corriente
existen, según lo explicado, por parejas. Estamos
suponiendo que tenemos energía térmica, es decir que
no estamos en el cero grados kelvin. Entonces, un
electrón de la banda de valencia puede incrementar su
energía tomándola de la agitación térmica y pasando a
la banda de conducción donde existen niveles
desocupados. Así se crea una pareja de portadores
electrón-hueco. Este mecanismo se denomina
generación de pares y naturalmente dependerá de la
temperatura. El proceso inverso, es decir, la pérdida de
energía de un electrón de la banda de conducción
pasando a la de valencia, se puede considerar como la
aniquilación de un par electrón-hueco y se denomina
recombinación de pares. La recombinación es un
mecanismo de tipo estadístico y por lo tanto dependerá
del número de electrones libres y del número de huecos. Generación y recombinación son
mecanismos antagónicos y la densidad de electrones, n, y de huecos, p, en situación de
equilibrio se establecerán cuando las tasas degeneración y recomendación sean iguales.
Llamaremos nj al número de pares en un semiconductor intrínseco, naturalmente
dependerá de la temperatura, T, y en este caso se verificará:
n = p = nj (T)

.s-1
.s-1
Densidad Temp. de prohibida
(g.cm-3)
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO
17
µ n
Material cm2.V-
1
µ p
cm2.V-
1
?(?
.cm)
Constante
de red
x 10-10 m
e r
fusión
Banda

ºC (eV)
Si

Ge
1350

3900
480

1900
2.5×105

43
5.43

5.66
11.8

16
2.33

5.32
1415

936
1.11

0.67
2.2 Semiconductores extrínsecos

Los semiconductores reales no son nunca puros sino que tienen impurezas, es decir no
todos los átomos son del elemento base (Si por ejemplo). Sin embargo, se intenta que las
impurezas incontroladas sean sumamente escasas, para lo cual el proceso de fabricación
debe ser extraordinariamente cuidadoso. Por el contrario, se añaden impurezas de
determinado tipo y en proporciones cuidadosamente controladas. Así se tienen dos tipos
de semiconductores impurificados, denominados extrínsecos.

2.3 Semiconductores dopados

Si aplicamos una tensión al cristal de silicio, el positivo de la pila intentará atraer los
electrones y el negativo los huecos favoreciendo así la aparición de una corriente a través
del circuito
Sentido del movimiento de un electrón y un hueco en el silicio

Ahora bien, esta corriente que aparece es de muy pequeño valor, pues son pocos los
electrones que podemos arrancar de los enlaces entre los átomos de silicio. Para
aumentar el valor de dicha corriente tenemos dos posibilidades:
•
•
Aplicar una tensión de valor superior
Introducir previamente en el semiconductor electrones o huecos desde el exterior

DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO
18

La primera solución no es factible pues, aún aumentando mucho el valor de la tensión
aplicada, la corriente que aparece no es de suficiente valor. La solución elegida es la
segunda.

En este segundo caso se dice que el semiconductor está "dopado".

El dopaje consiste en sustituir algunos átomos de silicio por átomos de otros
elementos. A estos últimos se les conoce con el nombre de impurezas. Dependiendo del
tipo de impureza con el que se dope al semiconductor puro o intrínseco aparecen dos
clases de semiconductores: Semiconductor tipo N, Semiconductor tipo P

2.3.1 Semiconductores tipos N.

Cuando las impurezas añadidas son predominantemente del grupo V-A de la tabla
periódica (fósforo (P), arsénico (As), antimonio (Sb)), el semiconductor se denomina tipo
N y las impurezas se denominan donantes. Los átomos de este grupo poseen en su
última capa 5 electrones. Así por ejemplo, si un átomo de Si, por ejemplo, es sustituido
por un átomo de As , tras formar los 4 enlaces covalentes con los 4 átomos de Si vecinos,
queda un electrón del átomo de As sin emparejar y por lo tanto tan débilmente ligado al
átomo de As, que a temperatura poco por encima del 0 K quedará libre, es decir,
ocupando un nivel de la BC. Como esto ocurrirá con cada átomo de impureza de As, en la
BC tendremos, además de los electrones debidos a la generación de pares, un electrón
por cada átomo de impureza donante, o sea, que tendremos más electrones en la BC que
huecos:
n > p. Así pues, los portadores mayoritarios son los electrones y los minoritarios
son los huecos. En la práctica, en los SC tipo N los electrones de la BC son en su mayoría
donados por los átomos de impureza donante, hasta el punto que se puede suponer que
n »Nd, siendo Nd la densidad de impurezas donantes (nº de átomos de impureza en 1
cm3).

Si en una red cristalina de silicio (átomos de silicio enlazados entre sí)….

DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO
19
Enlace covalente de átomos de germanio, obsérvese que cada átomo
comparte cada uno de sus electrones con otros cuatro átomos

…. sustituimos uno de sus átomos (que como sabemos tiene 4 electrones en su capa
exterior) por un átomo de otro elemento que contenga cinco electrones en su capa
exterior, resulta que cuatro de esos electrones sirven para enlazarse con el resto de los
átomos de la red y el quinto queda libre.

DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO
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Semiconductor dopado tipo N

A esta red de silicio "dopado" con esta clase de impurezas se le denomina "Silicio tipo
N"

En esta situación hay mayor número de electrones que de huecos. Por ello a estos
últimos se les denomina "portadores minoritarios" y "portadores mayoritarios" a los
electrones

Las Impurezas tipo N más utilizadas en el proceso de dopado son el arsénico, el
antimonio y el fósforo

Está claro que si a un semiconductor dopado se le aplica tensión en sus bornas, las
posibilidades de que aparezca una corriente en el circuito son mayores a las del caso de
la aplicación de la misma tensión sobre un semiconductor intrínseco o puro.

2.3.2 Semiconductores tipos P.

Cuando las impurezas añadidas son predominantemente del grupo III-A de la tabla
periódica (aluminio (Al), galio (Ga), indio (In)), el semiconductor se denomina tipo P y las
impurezas se denominan aceptantes. Los átomos de este grupo poseen en su última
capa 3 electrones. Así por ejemplo, si un átomo de Si, es sustituido por un átomo de Ga ,
tras formar los 4 enlaces covalentes con los 4 átomos de Si vecinos, queda un enlace sin
completar. A temperatura poco por encima del 0 K lo ocupará un electrón de la BV, que
dejará un hueco la BV. Como esto ocurrirá con cada átomo de impureza de Ga, en la BV
tendremos, además de los huecos debidos a la generación de pares, un hueco por cada
átomo de impureza aceptante, o sea, que tendremos más huecos en la BV que electrones
en la BC:
p>n. Así pues, los portadores mayoritarios son los huecos y los minoritarios
son los electrones. En la práctica, en los SC tipo P, los huecos son en su mayoría debidos
a los átomos de impureza aceptante, hasta el punto que se puede suponer que p ˜Na,
siendo Na la densidad de impurezas aceptantes (nº de átomos de impureza por cm3).

Como hemos dicho la tasa de generación de pares, a (T), (nº de pares electrón-hueco
generados por unidad de tiempo) es únicamente dependiente de la temperatura. El
proceso antagonista, la recombinación o aniquilación de pares, es probabilístico y por lo
tanto la tasa de pares electrón-hueco aniquilados por unidad de tiempo, será proporcional
al producto n.p. Cuando ambos mecanismos estén equilibrados n.p = a (T), con
independencia del grado de impurificación. Por lo tanto, para un SC intrínseco, se
verificará que ni2= a (T); y finalmente de las dos relaciones anteriores se deduce la
llamada ley de acción de masas:
n.p = ni2
(1)
Así pues, para un SC tipo N real, se puede considerar que n ˜ Nd y por la ecuación (1) p ˜ ni2 / Nd y
naturalmente n >> p; igualmente, para un SC tipo P, p ˜ Na y n ˜ ni2 / Nay n EF …………. F ? 0

Si E < EF …………. F ? 1
Lo que quiere decir que en el cero absoluto no hay electrones por encima del nivel de Fermi y, por
debajo del mismo, todos los niveles estarán ocupados. Por consiguiente, dada la diferenciación que
hemos establecido anteriormente entre semiconductores y aislantes, resulta:
1. En los conductores, el nivel de Fermi se sitúa dentro de la banda de conducción
estando ocupados todos los niveles por debajo del nivel de Fermi y no habiendo
electrones con energía superiores a EF.
2. En los semiconductores, el nivel de Fermi estará forzosamente la banda prohibida
entre la de conducción y la de valencia.
b-Fuera del cero absoluto (T>0 K):
Si E = EF …….. ….. F = 1/2
F = 0 y F = 1 son asíntotas a cualquier T. (ver figuras 1 y 2)

DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO
26

6. LOCALIZACIÓN DEL NIVEL DE FERMI.

a – Conductores:

Ya hemos dicho que el nivel de Fermi se encuentra en la banda de conducción. Si
extrapolamos al cero absoluto, todos los niveles comprendidos entre Ec y EF estarán
ocupados, por lo que para calcular cuántos electrones de la banda de conducción hay por
unidad del volumen bastará integrar la función Sc(E) entre Ec y EF:
Hemos supuesto que KC sólo depende de la temperatura, por lo que se ha sacado
fuera de la integral. Esto es aproximadamente cierto para la banda de conducción
de los metales. Como la densidad de electrones en la banda de conducción no
depende de la temperatura, conociendo dicha densidad, N=n(0), podemos
localizar el nivel de Fermi a partir de la (11):
b- Semiconductores:

DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO
27

Para empezar, supondremos que las bandas de conducción y de valencia con sus
respectivos portadores electrones y huecos, tienen un comportamiento simétrico. Más
concretamente supongamos dos intervalos estrechos entre E1 y E1+dE en la banda de
conducción y entre E2 y E2-dE en la banda de valencia, tales que E1+ E2 = EC+ EV. A
ambos les corresponderá la misma densidad de estados y por lo tanto la relación entre el
número de electrones y de huecos en dichos intervalos energéticos será:
Si E1-EFy EF-E2son suficientemente mayores que kT, las exponenciales serán
mucho mayores que la unidad y por lo tanto la podría escribirse así:
y podemos escribir:

en donde:
Es la separación energética del nivel de Fermi respecto al nivel central de la
banda prohibida que está entre las de conducción y la de valencia. Luego
podremos poner la (13) así:
Como la (10) es independiente de la pareja de niveles de E1 y E2elegidos, pondremos
ponerla finalmente así:

DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO
28
Ecuación que nos sitúa el nivel de Fermi con relación a las bandas de energía. Si
consideramos además la ley de acción de masas, podemos escribir la (18) así:

En los semiconductores tipo N, n > p, lo cual implica que ? E >0, es decir que el nivel de Fermi se
aproxima a la banda de conducción tanto más cuanto más fuertemente impurificado esté. Para
fuertes impurificaciones será n ? Nd y
En los semiconductores tipo P, p > n, lo cual implica que ? E < 0, es decir que el nivel de Fermi se
aproxima a la banda de valencia tanto más cuanto más fuertemente impurificado esté. Para fuertes
impurificaciones será p ? Na y
Para los semiconductores intrínsecos, p = n, lo que implica que ? E = 0, es decir que el nivel de
Fermi está exactamente en el centro de la banda prohibida.

Si se eleva la temperatura, ni(T) crece y tanto n/ni como n/p tienden a la unidad, lo que equivale a
decir que los materiales tienden a comportarse como intrínsecos para temperaturas elevadas.

7. LA UNIÓN N-P.

La unión de un cristal de un semiconductor tipo N con otro tipo P tiene un
comportamiento que la hace interesante en aplicaciones tanto analógicas como digitales.
Esta unión da lugar a una familia de dispositivos básicos denominados diodos y a otros
dispositivos más complejos y tecnológicamente aún más interesantes, que se denominan
transistores de unión.

Para describir el comportamiento de la unión N-P, nos basaremos en las propiedades,
descritas anteriormente, de los semiconductores intrínsecos y dopados. El proceso de
fabricación implica dopar una parte de un cristal de forma que se comporte como de tipo P
y otra parte del mismo de forma que se comporte como de tipo N. Es decir, en ningún
momento las partes N y P están separadas. Sin embargo, para describir los fenómenos
que explican el comportamiento de la unión, resulta pedagógico suponer que inicialmente

DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO
29

los bloques N y P están separados y que en algún instante inicial se unen. Hecha esta
suposición, vamos a describir lo que ocurre a partir del instante inicial.
Lo interesante de los semiconductores es cómo se comportan cuando se juntan dos o
más.

Por si mismo, un semiconductor dopado no es más que una resistencia eléctrica y hay
modos mucho más fáciles de crear una resistencia.

El dispositivo que aparece arriba a la izquierda es una unión PN (un material dopado P se
coloca junto a un material dopado N). Así se forma un diodo.

En la esquina inferior izquierda aparece la configuración de los dopantes: cómo estarían
los electrones y los huecos si se colocasen ambos materiales uno junto a otro, pero sin
tocarse.

Cuando se forma una unión PN, las cargas y los huecos que se encuentran en la
interacción se combinan y se aniquilan. Esto crea una zona de agotamiento alrededor de
la unión en la que hay una falta neta de transportes. De nuevo, nótese que, dado que un
electrón negativo se aniquila con un hueco positivo, la estructura de la red permanece
neutral.

La aniquilación de transportes libera energía, lo que se puede utilizar para generar fotones
de luz (como en el caso de los diodos electroluminiscentes o LED) y la luz también se
puede utilizar para crear transportadores, como en el caso de los fotodiodos y los
fototransistores. Esto se presentará más adelante.

DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO
30
La falta de transportes de carga en la interacción de una unión PN significa que hay una
separación de carga en la unión (dado que los dopantes no se ven afectados en modo
alguno por la aniquilación de transportadores). La separación de la carga introduce un
campo eléctrico a través de la unión y este voltaje a. Nótese que, aunque hay una
separación de carga, no hay exceso de carga, por lo que el dispositivo es eléctricamente
neutro.

El área de un campo eléctrico (o separación de carga) se llama zona de agotamiento
porque la aniquilación de transportadores de carga crea en una zona en la unión en la que
no hay transportadores.

En dispositivos de silicio, la separación de carga produce un voltaje de 0.7 V a través de
la interacción. Este es el origen del voltaje necesario para encender un diodo.

DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO
31

8. EL DIODO DE UNIÓN.

El dispositivo de estado sólido más simple es en realidad la unión PN tal como ha sido
descrita anteriormente y que se denomina tecnológicamente diodo de unión. El
comportamiento simplificado corresponde de este diodo idealizado responde a la
siguiente expresión:
Denominada ecuación de Schockley. La representación gráfica la vemos en la figura
8.1(a). En ella observamos que en polarización directa el dispositivo se comporta como
una resistencia pequeña (casi como un cortocircuito), mientras que en polarización
inversa el dispositivo es como una resistencia muy elevada (casi un circuito abierto).
a) Polarización directa
b) Polarización inversa
Figura 8.1

DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO
32
La esencia de la acción de una unión PN polarizada directamente es que se pueden
inyectar transportadores mayoritarios. Así, a una unión PN con un voltaje positivo que la
atraviesa se le inyectan electrones en la región n y huecos en la región p, por lo que, si el
voltaje que cruza el dispositivo es suficiente para superar el voltaje de la unión, la
corriente fluirá.

Cuando la polarización de una unión PN es directa, la corriente de difusión es mucho
mayor que la corriente minoritaria, que se puede ignorar.

DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO
33

En el caso de la polarización inversa, la unión pasa a estar aún más agotada de
transportadores y la corriente importante es la corriente transportadora minoritaria (o
corriente inversa de saturación), que es pequeña en comparación con la corriente directa
del caso de polarización directa, pero que hay que tenerla en mente para algunas
aplicaciones.

La corriente portadora minoritaria no se ve influenciada por el voltaje que atraviesa la
unión, y es una mera propiedad del material. En el silicio es baja y en el germanio es de
alrededor microamperio. Esta es la principal razón por la que el silicio se encuentra más
en diodos y transistores. En las figuras 8.2 (b) y 8.3 (a) y (b), vemos otras aproximaciones
del diodo, válidas cada una de ellas en diferentes circunstancias.

El hecho de que en todo caso el diodo presente dos estados tan netamente diferenciados
hace que el diodo pueda servir para representar físicamente los 2 valores de una variable
binaria; por ejemplo, el estado de polarización directa, que en los circuitos digitales se suele
denominar ON, podría representar el valor 1 de una variable booleana, mientras el estado de
polarización inversa, o estado OFF, podría representar el valor 0 de la misma variable. Así
pues, se pueden diseñar circuitos digitales usando diodos de unión; sin embargo, por
tratarse de elementos pasivos, su utilidad en este campo es limitada.
(a)
(b)
Figura 8.2

DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO
34
(a)
(b)
Figura 8.3

8.1 Limitaciones de los diodos reales.

Tanto en sentido directo como en sentido inverso, en el diodo se produce una
disipación de energía calorífica, que eleva la temperatura de la unión por encima de la
temperatura ambiente. A su vez hay una cesión de calor desde el diodo al ambiente. La
temperatura alcanzada por la unión se puede cuantificar de forma aproximada por una
expresión como esta:

donde Ta es la temperatura ambiente, I la intensidad que circula por el diodo, V la d.d.p. entre los
extremos del diodo y ? es la llamada resistencia térmica del diodo. Esta dependerá de las facilidades
del circuito para refrigerarse: cuanto menor sea ? , más potencia podrá disipar el diodo sin
calentarse peligrosamente. Por lo tanto en polarización directa habrá una intensidad Imax, que no
deberá sobrepasarse para no alcanzar una temperatura excesiva (175 a 200 C). En sentido inverso, la
intensidad es muy pequeña (Is), pero crece con la temperatura y si se sobrepasa un cierto valor de
d.d.p. Vmax, puede producirse un efecto de inestabilidad térmica realimentado que acabe quemando
el diodo. Estos efectos y otros que veremos a continuación no están descritos por ninguno de los
modelos simplificados que hemos visto anteriormente.

En polarización inversa puede presentarse el llamado efecto avalancha: si la tensión
inversa aplicada alcanza un determinado valor, el campo eléctrico puede acelerar los
pocos electrones libres de la zona de depleción, que, a su vez, pueden arrancar por
colisión electrones de valencia. Estos son a su vez acelerados alcanzando gran velocidad
y siendo capaces de colisionar y arrancar nuevos electrones. Por lo tanto se llega a
producir una avalancha de corriente inversa, que en los diodos ordinarios produciría
probablemente una excesiva elevación de la temperatura y su avería.

DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO
35

Rectificación de media onda y rectificación de onda completa.

Este es el circuito más simple que puede convertir corriente alterna en corriente continua.
Este rectificador lo podemos ver representado en la siguiente figura:
D1

1N4004
TR1
R1
10k

TRAN-2P2S

Figura 8.3a Circuito Rectificador de Media Onda

Durante el semiciclo positivo de la tensión del primario, el bobinado secundario tiene una
media onda positiva de tensión entre sus extremos. Este aspecto supone que el diodo se
encuentra en polarización directa. Sin embargo, durante el semiciclo negativo de la
tensión en el primario, el arrollamiento secundario presenta una onda sinusoidal negativa.
Por tanto, el diodo se encuentra polarizado en inversa.

La onda que más interesa es VL, que es la que alimenta a R1. Pero es una tensión que
no tiene partes negativas, es una "Tensión Continua Pulsante", y nosotros necesitamos
una "Tensión Continua Constante". Analizaremos las diferencias de lo que tenemos con lo
que queremos conseguir.

La siguiente figura muestra un rectificador de onda completa con 2 diodos:

DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO
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D1

1N4004
R1
10k
TR1
TRAN-2P3S
D2

1N4004
Figura 8.3b Circuito Rectificador de Onda Completa

El rectificador superior funciona con el semiciclo positivo de la tensión en el secundario,
mientras que el rectificador inferior funciona con el semiciclo negativo de tensión en el
secundario.

Es decir, D1 conduce durante el semiciclo positivo y D2 conduce durante el semiciclo
negativo. Así pues la corriente en la carga rectificada circula durante los dos semiciclos.

En este circuito la tensión de carga VL, como en el caso anterior, se medirá en la
resistencia R1.

DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO
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R1
10k
TR1
BR1
D1

D2
D4

D3
TRAN-2P2S
BRIDGE

Figura 8.3c Circuito Rectificador de Onda Completa con Puente

Mediante el uso de 4 diodos en lugar de 2, se elimina la necesidad de la conexión
intermedia del secundario del transformador. La ventaja de no usar dicha conexión es que
la tensión en la carga rectificada es el doble que la que se obtendría con el rectificador de
onda completa con 2 diodos.

Durante el semiciclo positivo de la tensión de la red, los diodos D1 y D3 conducen, esto
da lugar a un semiciclo positivo en la resistencia de carga.

Los diodos D2 y D4 conducen durante el semiciclo negativo, lo que produce otro semiciclo
positivo en la resistencia de carga.

El resultado es una señal de onda completa en la resistencia de carga.

Hemos obtenido la misma onda de salida VL que en el caso anterior.

La diferencia más importante es que la tensión inversa que tienen que soportar los diodos
es la mitad de la que tienen que soportar los diodos en un rectificador de onda completa
con 2 diodos, con lo que se reduce el costo del circuito.

DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO
38
Características de un Diodo:

Propiedades:
•

•
•

•

•
El material del cual está construido el diodo (Silicio Si o Germanio Ge), determinan
la caída de tensión a través del diodo.
Máxima tensión inversa, PRV (Peak reverse voltaje) o PIV (Peak inverse voltaje).
If, Máxima corriente directa (Normalmente, si esta es muy grande, implica una gran
capacidad de la unión).
Capacidad depende del tamaño y la geometría dela unión (se le puede considerar
como paralela a ella).
Cada dispositivo tiene unas características definitorias que la industria ha
encontrado útiles al describirlas. Incluso en dispositivos tan sencillos como los
diodos hay cientos de tipos que se han diseñado específicamente para:
Conmutación, Rectificación, Potencia, Alta frecuencia, Baja dispersión

Normalmente, al elegir un diodo hay que conocer las tasas máximas de voltaje y corriente.

Además, los diodos tienen una capacidad significativa, que se debe incluir en los diseños
de alta frecuencia.

La ficha técnica de un diodo de uso general normal, obtenida en la página web de
Fairchild, un buen lugar para encontrar fichas técnicas.

Todas las fichas técnicas comienzan mostrando las distintas versiones del dispositivo y a
continuación, las tasas máximas seguidas de las especificaciones y, a veces,
configuraciones de prueba.

Multiplicadores: En ocasiones se presentan cargas que necesitan una tensión muy alta y
que absorben una corriente pequeña como es el caso del tubo de rayos catódicos del
televisor, monitor u osciloscopio.

Para elevar el voltaje de una red es necesario adquirir un transformador elevador con los
diodos y condensadores que se necesiten
Figura 8.3d Circuito Multiplicador de Voltaje

Y tenemos un rizado casi nulo.

DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO
39

El mayor problema es que el transformador elevador sería muy grande porque necesitaría
muchas espiras, además el campo eléctrico sería grande, el voltaje inverso pico del diodo
(VIP) también (VID = 2Vpico = 2·933 = 1833 V en inversa), mucha tensión en el
Condensador.

Por eso no se usa un transformador elevador sino que se utiliza un multiplicador de
voltaje, entre estos tenemos cuatro:

1. El Doblador de tensión: Para comenzar a analizar este tipo de circuitos es
interesante tener en cuenta: Empezar en el semiciclo (malla) donde se cargue un
solo condensador.
Figura 8.3e Circuito Duplicador de Tensión
Figura 8.3f Funcionamiento Circuito Duplicador de Tensión

Entonces nos queda de esta forma si ponemos la carga en C2:
Figura 8.3g Análisis Circuito Duplicador de Tensión

DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO
40

La masa se coloca en el borne negativo del condensador. Y se carga C2 a 622V. Y como
se ve, si se conectan los bornes a C2, esto es un doblador de tensión. Como la corriente
de descarga es pequeña, el C2 se descarga despacio con una constante de tiempo de
valor:
Resumiendo tenemos:
Figura 8.3h Resumen Funcionamiento Circuito Duplicador de Tensión

2. El Doblador de tensión de onda completa
Figura 8.3i Circuito Duplicador de Tensión de Onda Completa

Quitamos la carga para analizarlo. Como ya se ha dicho antes empezamos por donde
haya un solo condensador. Si representamos VL en función del tiempo.

DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO
41
Figura 8.3j Análisis Circuito Duplicador de Tensión de Onda Completa

Se van turnando los 2 condensadores, como cada uno es de 60 Hz, los 2 a la vez son 120
Hz. Este circuito tiene una ventaja respecto al anterior: El rizado es más pequeño. La
desventaja radica en que no sabemos dónde colocar la masa, en el caso anterior lo
teníamos fácil, pero ahora si ponemos debajo de RL no hay ningún borne de la red a
masa. Si conectamos una carga también a masa puede haber un cortocircuito. Hay que
andar con cuidado al usar ese circuito.

3. El Triplicador: El principio es idéntico al duplicador de media onda: Semiciclo
negativo se carga C1, semiciclo positivo se carga C2 a 622 V, semiciclo negativo
se carga C3 a 622 V, 2 veces el pico. Ahora elegimos los bornes para sacar:
Figura 8.3k Circuito Triplicador

Con esto se puede hacer un doblador y un triplicador dependiendo de donde se colocan
los bornes. Y tenemos 933 V a la salida. El truco consiste en que la constante de tiempo

de descarga sea:

Y si a este circuito se le añade una etapa más (diodo y condensador) se convierte en un
cuadriplicador.

DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO
42

4. El Cuadriplicador: Es como los anteriores, y la tensión se toma como se ve en la
figura:
Figura 8.3l Circuito Cuadruplicador

Recortadores ó limitadores: Podemos tener dos tipos de diodos:

• De Pequeña Señal: Frecuencias mayores de red, limitaciones de potencia
menores que 0.5 W (corrientes de miliamperios).

o Limitadores.
o Cambiadores de nivel.
o Detector de pico a pico.

• De Gran Señal: Diodos de potencia, son los diodos que se usan en las fuentes
de alimentación, tienen una limitación de potencia mayor que 0.5 W (corrientes de
Amperios).

Ahora vamos a analizar los diodos de pequeña señal.

Recortador positivo:
Figura 8.3m Circuito Limitador o Recortador positivo

Se tomo RL >> R para que en el semiciclo negativo vaya todo a la salida.

DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO
43
Recorta los semiciclos positivos, limita o recorta. Si se usa la 2ª aproximación:No recorta
de forma perfecta por no ser ideal el diodo.

Limitador positivo polarizado: Es como el anterior pero con una fuente de voltaje
adicional.
Figura 8.3n Limitador ó recortador con fuente de voltaje adicional

Limitador negativo: La diferencia con el limitador positivo radica en el cambio de
dirección del diodo.
Figura No. 8.3o Recortador Negativo

Para explicar el comportamiento del limitador negativo vamos a analizar un
limitador doble, que está compuesto por un limitador polarizado positivo y otro
limitador polarizado negativo.

DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO
44
Figura No. 8.3p Funcionamiento de un limitador negativo.

Esto era para RL >> R. Si no se cumpliera esto no sería una senoidal cuando no
conducen los diodos. Es un circuito recortador (limitador), es un circuito limitador
positivo polarizado y limitador negativo polarizado.

Aplicación: Si se mete una onda de pico muy grande a la entrada, aparece una
onda prácticamente cuadrada a la salida, que aunque no sea tan parecida se toma
como si fuese una onda cuadrada (es imposible hacer una onda cuadrada
perfecta).

Primera aplicación: "Transformar una Senoidal a Cuadrada". Si recorto en + 5 V
y en 0 V. Puedo aprovechar esto para electrónica digital.

DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO
45

Así se protege la carga de tensiones mayores de + 5 V. Limitador = Fijador =
Recortador. Pero este circuito suele ser caro debido a la fuente de voltaje
adicional, que suele ser una fuente de alimentación con su condensador, diodos,
etc… Como la pila es cara se ponen muchos diodos:
El único inconveniente de este circuito es que nos limita esa tensión a múltiplos de
0,7 V.

8.2 TIPOS DE DIODOS.

Además del diodo ordinario, que respondería tendría un comportamiento descrito
aproximadamente por uno de los modelos de las figuras 8.2 y 8.3, determinadas variantes
de diodos de unión presentan en algunas circunstancias comportamientos singulares, que
pueden aprovecharse en ciertas aplicaciones electrónicas. Así tenemos una amplia gama
de diodos:

– Diodos ordinarios: se aprovecha su comportamiento de casi cortocircuito en sentido
directo y casi circuito abierto en inverso. Son útiles por lo tanto, entre otros, en circuitos
rectificadores (conversores de c.a. en c.c.), en circuitos digitales (matrices de diodos).

– Fotodiodos PIN y APD de avalancha: son diodos que trabajan en polarización inversa.
A través de fibra óptica pueden recibir impulsos luminosos, de forma que, antes de recibir
tal impulso, el número de electrones libres en la zona de depleción no es suficiente para
desencadenar la avalancha (el fotodiodo no conduce). Al llegar el impulso luminosos, los
fotones liberan electrones y se desencadena la avalancha (el fotodiodo conduce).
Naturalmente, estos diodos están diseñados para soportar sin daño la avalancha.

– Diodos Zenner: son diodos que trabajan también con polarización inversa. Esta
produce en parte un efecto de avalancha, pero además hay un paso de portadores por
efecto túnel.

Este efecto, de manera algo simplista, consiste en lo siguiente: supongamos que una
partícula cargada se mueve hacia una región en la que hay una barrera de potencial de
altura V. La energía cinética inicial de la carga es Ec; cuando entra en la barrera de

DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO
46

potencial parte de su energía cinética (1/2 mv2) se va transformando en energía potencial,
lo que implica, según la Física Clásica, que la energía cinética, o lo que es lo mismo, la
velocidad disminuye. Si qV>Ec , la partícula llegará a pararse, es decir, no podrá atravesar
la región. El razonamiento anterior es correcto según la Física Newtoniana y la conclusión
es que no hay efecto tunel.

La Mecánica Cuántica explica el fenómeno de forma totalmente distinta: la partícula es
considerada no como un corpúsculo localizado, sino como una onda (función de onda),
cuya amplitud representaría una probabilidad de localización. Cuando la partícula-onda
alcanza la barrera de potencial en parte se refleja, (probabilidad de que la partícula no
pase la barrera), y en parte se refracta, (probabilidad de que la partícula atraviese la
barrera). Es decir, hay una probabilidad no nula de que la partícula pase a través de la
barrera (como por un túnel), es decir hay efecto túnel. En este caso la experiencia daría
la razón a la Mecánica Cuántica.
El diodo Zenner presenta una característica I –> V como la que vemos en la figura 8.4.
Vemos que trabajando en la zona Zenner, el diodo mantiene una tensión fija, Vz, con
independencia de la corriente que circule, o sea, es un estabilizador de tensión. Sus
numerosas aplicaciones en los circuitos se basan en esta propiedad.

DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO
47
– Diodos túnel: Si los diodos Zenner aprovechan el efecto túnel con polarización inversa,
los diodos túnel se basan en el mismo efecto, pero trabajando con polarización directa.
Sin embargo, para que se manifieste el efecto túnel se fabrican de forma que los bloques
N y P están mucho más dopados que en los diodos ordinarios. El resultado es un
comportamiento muy diferente al de los diodos ordinarios (Figura 8.5). Lo más curioso es
la zona de resistencia incremental negativa, es decir una región en la que un incremento
positivo de la tensión V se traduce en un incremento negativo de la intensidad I. Las
aplicaciones de los diodos túnel aprovechan precisamente esta zona.

– Diodos emisores de luz LED: son diodos fabricados con un semiconductor compuesto.
Su cápsula es transparente para dejar pasar la luz (fotones) emitida cuando se
recombinan en la zona de depleción huecos y electrones en tránsito. La intensidad de la
luz emitida puede modularse variando la tensión directa aplicada. El color de la luz
depende del semiconductor; así:
Se utilizan para los mandos a distancia por infrarrojos, e indicadores (displays)
alfanuméricos. La tecnología de los LED se está desarrollando continuamente. Se

DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO
48

fabrican ya LED de luz blanca (mezcla de los colores fundamentales rojo, verde y azul) y
de intensidad luminosa elevada a precios competitivos, lo que explica que vayan
sustituyendo a la luz de incandescencia y fluorescente en iluminación urbana y doméstica
y otras aplicaciones. Por ejemplo, están utilizándose cada vez más en pilotos e
intermitentes de coches, semáforos y, por supuesto paneles murales de publicidad o
información. El rendimiento (intensidad luminosa/watio) es mucho mayor, por lo que el
consumo energético es mucho menor que en los sistemas tradicionales.
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
Figura 8.6

Los símbolos de los diodos nombrados son los que vemos en la Figura 8.6:

(a) Diodo ordinario; (b) Diodo Zenner; (c) Diodo túnel; (d) Fotodiodo; (e) LED.

DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO
49
PRACTICA 1 CIRCUITOS RESISTIVOS

1.- Monta el siguiente circuito utilizando los valores de resistencia que prefieras
2.- Completa la siguiente tabla, realizando las operaciones que creas necesarias, y
mostrándolas en esta hoja o detrás, imprime el circuito EWB con Amplificadores y
Voltímetros, imprímelo con sus valores activos, recortalo y pégalo detrás.
CÁLCULOS
MEDIDAS
ORDENADOR
3.-Comenta los resultados obtenidos

DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO
50

PRACTICA 2 CARGA Y DESCARGA DE UN CONDENSADOR
1.- Calcula el circuito siguiente de tal forma que el condensador tarde 50 segundos en
cargarse; y 80 segundos en descargarse, una vez colocado el conmutador S en la posición2,
muestra tus cálculos detrás de esta hoja, y monta el circuito en el taller
RECUERDA: El tiempo que tarda un condensador en cargarse o descargarse depende de la
constante de carga t=5RC
2.- Realiza las medidas necesarias para dibujar las gráficas correspondientes a la carga del
condensador, por ejemplo cada 5 o 10 seg.
CARGA REAL

3.- Realiza las medidas necesarias para dibujar las gráficas del taller correspondientes a la
descarga del condensador, por ejemplo cada 5 o 10 seg.
DESCARGA REAL

4.- Dibuja las 2 gráficas (gráficas de taller) en el papel cuadriculado de la hoja siguiente,
añádelas a esta memoria, la de Carga Real píntala de azul, y la Descarga Real, de negro
5.- Con las siguientes fórmulas tienes que rellenar los cuadros de la carga teórica y la de la
descarga teórica:
Vc=E-(E-Eo) e-t/RC
t=RC ln(E-Eo)/(E-Vc)
CARGA TEÓRICA

DESCARGA TEÓRICA

6.- Dibuja en la hoja cuadriculada anterior las dos curvas correspondientes a la Carga
Teórica y a la Descarga Teórica, con los mismos colores, pero en TRAZOS. Son las
gráficas teóricas

7.- Monta en el ordenador este circuito rellena unas tablas equivalentes a los pasos 2 y 3
además observa los efectos que producen los cambios de valores, tanto de resistencia, como
de capacidad, en el tiempo de carga y descarga, imprime una hoja con el circuito, las tablas
de valores, y las gráficas de carga y descarga. Éstas serán las gráficas de computador.
8.- ¿Cuál es la conclusión que sacas al observar dichas curvas, las del taller, las teóricas y
las del computador?

DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO
51

PRACTICA 3 MANEJO DE OSCILOSCOPIO ANÁLOGO

Objetivo: Medir en el osciloscopio los valores característicos de las señales periódicas que
se emplean en electrónica de potencia, analizar las diferencias con los resultados
matemáticos.

Materiales: 1 osciloscopio. 2 Generador de señal. 3 Multimetro. 4 Transformador.

Procedimiento: Después de calibrar el osciloscopio, medir el secundario del transformado r
con el osciloscopio determinar el vp, vpp, periodo y frecuencia.

Montaje físico
1. Con el transformador seleccionar una de las terminales del secundario y realizar las
siguientes medidas, despues de calibrar el osciloscopio.
vpp= ___ cuadros y ___ rallas = _____

vp= ___ cuadros y ___ rallas = _____

vrms= ______ T = ____ F = _____
1200hz,
2. Con el generador de señal seleccionar una de las frecuencias dadas: 600hz,
80khz
vpp= ___ cuadros y ___ rallas = _____

vp= ___ cuadros y ___ rallas = _____

vrms= ______ T = ____ F = _____

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PRACTICA 4 MEDIDAS CON EL OSCILOSCOPIO ANÁLOGO

El objetivo de esta práctica es que cojas soltura con la diferente instrumentación del taller,
polímetros, osciloscopios, fuentes de alimentación en continua — y en alterna ~.

MEDIDA FRECUENCIA
1.- Coloca en el GBF una señal alterna senoidal de 5Vmax, 1khz (si faltan GBF sirve la f.a.
del entrenador, con la salida marcada como ~ en rojo)
2.- Conecta la sonda del osciloscopio a la salida del generador
3.- Coloca en la pantalla del osciloscopio uno o dos periodos de la señal
4.- Completa los siguientes campos, con la mayor atención posible:
TIME/DIV=
Nº de divisiones horizontales=
Multiplicando el nº de divisiones por el valor de la base de tiempos, obtenemos el valor del
periodo T y como sabemos que f=1/T obtendremos el valor de la frecuencia
f=
f medido con la instrumentación1 =
MEDIDA VOLTIOS
5.- El osciloscopio tiene un conmutador rotativo para adecuar la señal de entrada
amplificándola o reduciéndola, VOLT/DIV, según el canal, gira el conmutador hasta que la
señal se pueda visualizar en la pantalla sin salirse de ella, pero ocupando lo máximo

6.- Rellena los siguientes campos
VOLT/DIV=
Nº de divisiones verticales de pico a pico=
Vpp= VOLT/DIV * Nº div horiz pp =

V ef= Vp/v2
Vp = Vpp/2 =

Vef medida con el polímetro =
MEDIDA VOLTIOS DE TENSIÓN CONTINUA

7.- Coloca ahora la fuente de alimentación2 en la sonda, y en conmutador, primero ajusta la
tierra con el conmutador en GD fijando la posición inicial del trazo, y después en DC, pon
la fuente de alimentación a 15 V, y mide su tensión análogamente al caso de alterna paso 5
y 6, y comprueba su veracidad con el polímetro.
¿Cuál es tu conclusión?
1
2
Del polímetro, o si los polímetros no tienen medidas de frecuencia, con el frecuencímetro.
Del entrenador V1, o de la fuente de alimentación en continua.

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53
PRACTICA 5 CORRIENTE ALTERNA

1.- Monta el siguiente circuito
Utilizando los valores de R C y v que prefieras para visualizar bien el desfase
R=
C=
v=
V,
Hz
2.- Completa la siguiente tabla, realizando las operaciones que creas necesarias, y (las
operaciones puntuan 10 puntos, son complejos) mostrándolas en esta hoja o detrás
CÁLCULOS
MEDIDAS
ORDENADOR
desfase

3.-Comenta los resultados obtenidos

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54

PRÁCTICA 6 CURVA CARACTERÍSTICA DEL DIODO
1.- Realiza el siguiente montaje con un diodo, puede ser Zenner o no, completa la tabla, la I
la calculas con la ley de Ohm ¿Cómo la calcularías teniendo los valores de V, E y R?
R=
2.- Invierte la posición del diodo y repite el proceso anterior

R=
3.- Representa los resultados obtenidos en una gráfica I del diodo en el eje y, V diodo eje x
4.- Que conclusión sacas al ver la forma y los valores de la gráfica. Ponlo detrás.
5.- Busca el diodo en los manuales, e indica aquí las características que ves más
importantes

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PRÁCTICA 7 RECTIFICACIÓN
1.- Monta los siguientes circuitos de rectificación
2.-Mide todas sus señales con el osciloscopio, dibújalas con un mínimo de precisión
colocando sus valores y escalas empleadas, anota la tensión en continua que hay en la
carga.
3.- Dibujo las tres formas de onda en los siguientes recuadros:
4.- Repite los procesos anteriores con el ordenador, imprime las formas de onda del
osciloscopio pégalas detrás.
5.- Comenta tus conclusiones

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PRACTICA 8 RECORTADOR ZENER

1.- Monta los siguientes circuitos en el taller:
2- Coloca el transformador ~ +- 12V en la entrada y una vez conectado al circuito mide con
el osciloscopio tanto la entrada como la salida

3.- Mide todas sus señales con el osciloscopio, dibúja las formas de onda, entrada y salida
en la misma gráfica con un mínimo de precisión colocando sus valores y escalas
empleadas.

4.- comenta los resultados obtenidos en cada circuito, ¿Para que sirven ? ¿Qué aplicaciones
ves a estos circuitos?

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PRACTICA 9 FILTRADO Y RIZADO

1.- Monta el siguiente circuito, el transformador será el de 110/12~. Diséñalo para un
rizado razonable como el de la figura, rellena este cuadro:
V rizado pico a pico teórico.

2.- Determina las señales de rizado, y la señal de continua en la carga
3.- Móntalo también en el ordenador, imprime el circuito con la forma de onda en el
osciloscopio, imprímelo, recorta y pégalo detrás, mide la señal de rizado y de continua en la
carga.
4.- Ahora en el taller inserta un 78XX y mide la señal de rizado y de continua en la carga.
5.- Rellena la siguiente tabla, los cálculos mostrarlos en esta hoja por la parte de atrás (8
puntos)

6.- Comenta tus conclusiones

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PRÁCTICA 10 RECTIFICACIÓN DE POTENCIA

1.- Monta el siguiente circuito en el ordenador. Como resistencia de carga puedes
usar una bombilla, o una resistencia de 1K,fija un ángulo de conducción máximo y
mínimo, y utiliza un potenciómetro para regular la luz, puede ser alrededor de 25K,
y el condensador de 100n, la red 100V y 50HZ. enseña los cálculos en la parte de
atrás. Imprime el circuito cuando tengas una señal de osciloscopio representativa,
tienes que probar diferentes configuraciones, los valores anteriores son
orientativos. Pégalo en la parte de atrás.
2.- Rellena la siguiente tabla:

3.- Ahora con la información del osciloscopio rellena esta tabla:

4.- Mide el ángulo de conducción con el potenciómetro al mínimo y al máximo si tienes
potenciómetro y rellena la siguiente tabla
6.- Comenta los resultados

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9. EL TRANSISTOR DE UNIÓN (BJT).

Como se comentó al comienzo del capítulo, combinando 2 uniones N-P se consigue un
dispositivo con prestaciones mucho más interesantes todavía que las de los diodos vistos
anteriormente. El 17 de diciembre de 1947 puede considerarse la fecha en que John
Bardeen y Walter Brattain culminan los trabajos que conducen a la invención del transistor
de unión. El transistor consiste en 3 bloques de semiconductor dopados N-P-N ó P-N-P.
El primer transistor era de Ge y tipo P-N-P. Actualmente el semiconductor utilizado es
prácticamente siempre Si y son mucho más abundantes los tipos N-P-N que los P-N-P.
En las figuras 9.1 y 9.2 vemos la estructura esquemática respectiva de los 2 tipos de
transistores mencionados. La geometría real de un transistor de los que forman parte de
un chip no se parece mucho a ese esquema, que únicamente nos va a servir para explicar
su funcionamiento de forma sencilla.
a) Esquema
b) Símbolo circuito
Figura 9.1 Transistor NPN
a) Esquema
b) Símbolo circuito
Figura 9.2 Transistor PNP

El transistor está compuesto por tres zonas de dopado, la zona superior es el "Colector",
la zona central es la "Base" y la zona inferior es el "Emisor". El Emisor está muy
impurificado, la Base tiene una impurificación muy baja, mientras que el Colector posee
una impurificación intermedia. En este ejemplo concreto el transistor es un dispositivo
NPN, aunque también podría ser un PNP. En principio es similar a dos diodos. Un
transistor es similar a dos diodos, el transistor tiene dos uniones: una entre el emisor y la
base y la otra entre la base y el colector. El emisor y la base forman uno de los diodos,
mientras que el colector y la base forman el otro.

Estos diodos son denominados: "Diodo de emisor" (el de la izquierda en este caso) y
"Diodo de colector" (el de la derecha en este caso).

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60

Antes y después de la difusión. Vamos a hacer un estudio del transistor NPN,
primeramente cuando está sin polarizar (sin pilas y en circuito abierto) se produce una
"Difusión" (como un gas en una botella), donde los electrones cruzan de la zona n a la
zona p, se difunden, encuentran un hueco y se recombinan. Esto hace que en las uniones
entre las zonas n y p se creen iones positivos y negativos
Figura 9.2ª Movimiento electrónico en un transistor.

Esta difusión y recombinación se da hasta llegar al equilibrio, hasta conseguir una barrera
de potencial de 0,7 V (para el Si). Se crean 2 z.c.e., una en la unión E-B (WE) y otra en la
unión C-B. Si se conectan fuentes de tensión externas para polarizar al transistor, se
obtienen resultados nuevos e interesantes. Hay 3 configuraciones:
•
•
•
Base común (BC).
Emisor común (EC).
Colector común (CC).
Cada una de estas configuraciones a su vez puede trabajar en 4 zonas diferentes:
Con esto vemos que el transistor puede trabajar de 12 formas diferentes.

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Figura 9.2b Diferentes regiones de trabajo de un transistor.

Internamente, el BJT se compone de tres capas de silicio, según la configuración
mostrada en la Figura 9.3.
Figura 9.3: Estructura interna del transistor bipolar

Como puede apreciarse, la flecha que indica el tipo de transistor, apunta al sentido de la
corriente en polarización directa del diodo BE. En principio, parece una estructura
simétrica, en la que es imposible distinguir el emisor del colector. Sin embargo la función
que cumple cada uno es completamente distinta, y en consecuencia, se fabrican con
diferentes características. Por lo tanto no es un componente simétrico.

Un transistor tiene dos formas principales de operación: como un interruptor o como una
resistencia variable.

9.1 TRANSISTOR COMO INTERRUPTOR

La función del transistor como interruptor es exactamente igual que la de un dispositivo
mecánico: o bien deja pasar la corriente, o bien la corta. La diferencia está en que
mientras en el primero es necesario que haya algún tipo de control mecánico, en el BJT la

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62

señal de control es electrónica. En la Figura 9.4 se muestra la aplicación al encendido de
una bombilla.
Figura 9.4 El transistor bipolar como interruptor de corriente

En el primer caso, bajo la señal de control adecuada, que es introducida a través de la
base, el transistor se comporta como un circuito abierto entre el emisor y el colector, no
existe corriente y la bombilla estará apagada. En el segundo caso, cambiando la señal de
control, se cierra el circuito entre C y E, y los 12 V se aplican a la bombilla, que se
enciende.

Este funcionamiento entre los estados de corte y conducción se denomina operación en
conmutación. Las aplicaciones típicas de este modo de operación son la electrónica de
potencia y la electrónica digital, en la que los circuitos operan con dos niveles de tensión
fijos equivalentes al
y
lógicos.
9.2 TRANSISTOR COMO RESISTENCIA VARIABLE

En la Figura 9.5 se presenta la comparación entre un potenciómetro y un transistor
colocados en un circuito.
Figura 9.5 Transistor bipolar operando como resistencia variable

Si el valor de la resistencia del potenciómetro se fija en 5 k , la tensión de salida VOUT
será de 5 V. Al aumentar esta resistencia, la salida también aumentará de valor. Por

ejemplo, con 20 k
DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO
63

VOUT resulta ser 8 V. Modificando el valor del potenciómetro se puede
obtener cualquier valor en la salida comprendido entre 0 V y 10 V, ya que:

Al igual que en el potenciómetro, en el transistor se puede ajustar su resistencia entre
colector y emisor, con la diferencia de que la señal de mando no es mecánica, sino
eléctrica a través de la base. Como se verá más adelante, con una pequeña señal
aplicada en la base puede gobernarse el BJT, con lo que aparece un concepto nuevo: la
amplificación de señales. Esta función es la base de la electrónica analógica, aquella en la
que se procesan señales de tensión respetando su forma de onda temporal.

9.3 PRINCIPIO DE OPERACION

En este apartado se va a trabajar exclusivamente con el transistor NPN. No obstante,
cabe señalar que los razonamientos necesarios para entender el transistor PNP son
completamente análogos, por lo que se deja al lector la tarea de deducir los modelos
característicos de su funcionamiento.

En la Figura 9.3 pueden verse las dos uniones PN del transistor: la unión Base-Emisor
(BE), y la unión Base-Colector (BC). Cada una por separado constituye un diodo, pero la
conjunción de ambas provoca un efecto nuevo, denominado efecto transistor.
Obviamente, el estado global del transistor depende de la polarización, directa (PD) o
inversa (PI), de las dos uniones.

Los casos posibles se adjuntan en la tabla siguiente:
Los dos últimos casos, la Región Activa Normal (RAN) y la Región Activa Inversa (RAI)
son conceptualmente similares. Si el transistor fuera simétrico, estaríamos ante la misma
región de funcionamiento, solo que con los terminales intercambiados. Sin embargo el
colector y el emisor se fabrican de forma diferente, precisamente para adaptar su
funcionamiento a la RAN. Por ello no se suele trabajar en la RAI. Una vez aclarado este
punto se va a analizar el funcionamiento en cada región de operación.

9.3.1 REGION DE CORTE

Como elemento básico para la discusión en este apartado se va a emplear el circuito de la
Figura 9.6.

DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO
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Figura 9.6: Transistor BJT polarizado en la región de corte

En el circuito de la Figura 9.6:

•
•

En este caso las dos uniones están polarizadas en inversa, por lo que existen zonas de
depleción en torno a las uniones BE y BC. En estas zonas no hay portadores de carga
móviles, por lo tanto, no puede establecerse ninguna corriente de mayoritarios. Los
portadores minoritarios sí pueden atravesar las uniones polarizadas en inversa, pero dan
lugar a corrientes muy débiles. Por lo tanto, un transistor en corte equivale a efectos
prácticos, a un circuito abierto.

A partir de esta definición, se pueden deducir fácilmente los modelos matemático y
circuital simplificados para este estado. El transistor BJT en la región de corte se resume
en la Figura 9.7

DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO
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Figura 9.7 Modelo del
en corte para señales de continua
Obviamente, en estos modelos no se tiene en cuenta el efecto de las corrientes de fuga
de las dos uniones, y sólo son válidos para realizar una primera aproximación al
comportamiento de un circuito.

EJEMPLO 1: Calcular las tensiones VBE, VBC y VCE así como las corrientes IB, IC e IE del
circuito de la figura 9.8, cuando EB = 0 V.
Figura 9.8: Circuito del ejemplo 1

SOLUCIÓN: La base del transistor está conectada a la fuente a través de una resistencia
RB. Puesto que la diferencia de potencial entre los extremos del generador es nulo, no
puede polarizarse la unión BE en directa, por lo que el transistor está en corte, es decir:
VBC = VBE – VCE = 0 – 10 = – 10 V

Pueden obtenerse los mismos resultados si se sustituye el transistor en el circuito por su
modelo equivalente:

DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO
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9.3.2 REGION ACTIVA NORMAL

Para facilitar el estudio y comprensión de los fenómenos que suceden cuando se polariza
el transistor en RAN, se va a analizar en primer lugar el comportamiento del transistor en
las situaciones descritas en la Figura 9.9 a) y b).
Figura 9.9: Transistor NPN.

En la Figura 9.9 a), como la tensión EC está aplicada al colector, la unión base-colector
estará polarizada en inversa. A ambos lados de la unión se creará la zona de deplección,
que impide la corriente de portadores mayoritarios. No existirá corriente de colector
significativa, y el transistor se encontrará operando en la región de corte.

En el caso de la Figura 9.9 b), la fuente EB polariza la unión base-emisor en directa, que
se comporta como un diodo normal, es decir, la zona P inyecta huecos en la zona N, y
esta electrones en aquella. Si el dopado de la base es muy inferior al del emisor, la
inyección de huecos será muy inferior a la de electrones, y se puede describir el proceso
así: el emisor inyecta electrones en la base. Estos se recombinan con los huecos que
provienen de la fuente de alimentación y se crea una corriente IB. En este caso el colector
no entra en juego.

DISEÑO ELECTRONICO ANALOGO
67

La operación en RAN se da cuando la unión BE se polariza en directa y la BC en inversa.
Los tres puntos característicos de esta región de operación son:

1. Corriente de colector no nula: conducción a través de la unión BC pese a que está
polarizada en inversa.
2. La corriente de base es muy inferior a la de colector.
3. La corriente de colector es proporcional a la corriente de base.
Figura 9.10 Transistor NPN en RAN.

Conducción a través de la unión BC

En el circuito de la Figura 9.10 la unión BE se polariza en directa, mientras que si EC es
mayor que EB, la unión BC estará en inversa, luego no debería circular corriente a través
de esta última. Lo que sucede es que el emisor (tipo N) inyecta electrones en la base (tipo
P), en la que los portadores mayoritarios son los huecos, y los minoritarios son los
electrones. Como se explicó anteriormente, una unión PN en inversa bloquea el paso de
mayoritarios, pero no de minoritarios (que constituyen la corriente de fuga en inversa). Por
lo tanto, los electrones inyectados desde el emisor a la base, atraídos por el potencial
positivo aplicado al colector, pueden atravesar la unión BC, y dar origen a la corriente de
colector IC. Mediante el emisor, se inunda la base de electrones, aumenta drásticamente
el número de portadores minoritarios del diodo base-colector, con lo que su corriente
inversa aumenta también.

Así que la primera contradicción queda resuelta. El diodo BC no conduce realmente en
inversa, sino que sus corrientes de fuga se equiparan con la corriente normal gracias al
aporte de electrones que provienen del emisor.

La corriente de base es muy inferior a la de colector

En este punto de la explicación surge una pregunta: ¿y por qué los electrones llegan
hasta la unión BC y no se recombinan como en la Figura 9.9.b)? La Figura 9.11 muestra
la distribución de corrientes.

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Figura 9.11: Distribución de corrientes en un transistor NPN en RAN.

Si la base es estrecha y está poco dopada, es relativamente probable que un electrón la
atraviese sin encontrarse con un hueco. Típicamente, los BJT se construyen para que se
recombine el 1% de los electrones. En este caso se obtiene una ganancia de corriente de
100, es decir, la corriente de base es 100 veces inferior a la del colector. Como la
corriente de emisor es la suma de estas dos, es obvio que su valor es cercano al de la
corriente de colector, con lo que en la práctica se consideran iguales (sólo operando en
RAN).

La corriente de colector es proporcional a la corriente de base

Centrando la atención en la recombinación de los electrones en la base procedentes del
emisor. Allí donde había un hueco pasa a haber, tras la recombinación, un ion negativo
inmóvil. Si desaparecen los huecos de la base y se llena de iones negativos, se carga
negativamente, y se repelen los electrones procedentes del emiso