Materiales Semiconductores: La Base de la Electrónica
Los materiales semiconductores son fundamentales en la electrónica. Su principal característica es que permiten el paso de la electricidad bajo condiciones específicas. Si estas condiciones no se cumplen, actúan como aislantes. Estos materiales, como el silicio (Si), típicamente tienen cuatro electrones en su capa de valencia.
Semiconductores Intrínsecos
Un semiconductor intrínseco está compuesto por un único elemento, como el silicio. Al aumentar la temperatura, los átomos vibran, liberando algunos electrones de la red cristalina. Estos electrones libres permiten la conducción, aunque en menor medida que en los materiales conductores. La cantidad de electrones libres depende de la temperatura, y la resistencia de un semiconductor es significativamente mayor que la de un conductor.
Cuando un electrón se libera, deja un «hueco» con carga positiva. En un átomo neutro, el número de electrones y protones es igual. Pero al perder un electrón, el átomo se carga positivamente.
Semiconductores Extrínsecos
Para mejorar la conductividad, se añaden impurezas a los semiconductores intrínsecos en un proceso llamado dopaje. Estas impurezas son otros elementos que modifican las propiedades conductoras del material.
Semiconductor Tipo N
Se obtiene dopando un semiconductor intrínseco con elementos de la columna V de la tabla periódica (como el fósforo, P), que tienen cinco electrones de valencia. El electrón adicional no forma parte de los enlaces covalentes y queda relativamente libre, aumentando la conductividad. Se denominan tipo «n» (negativo) porque el transporte de carga se realiza mediante electrones (carga negativa).
Semiconductor Tipo P
Se obtiene dopando con elementos de la columna III (como el boro, B), que tienen tres electrones de valencia. Al incorporarse a la red cristalina, se generan «huecos» (ausencia de electrones) que pueden aceptar electrones de átomos vecinos. Se denominan tipo «p» (positivo) porque el transporte de carga se produce por el movimiento de estos huecos (carga positiva).
El Diodo: Componente Electrónico Fundamental
El diodo es el componente electrónico más básico. Se compone de la unión de dos semiconductores, uno tipo p y otro tipo n, formando una unión p-n.
Composición del Diodo
Al unir un semiconductor tipo p con uno tipo n, ocurre un fenómeno llamado difusión. Los electrones libres del material tipo n se mueven hacia los huecos del material tipo p. Esto crea una barrera de potencial en la zona de unión, con cargas positivas en la zona n y cargas negativas en la zona p. Esta barrera impide que la difusión continúe indefinidamente y requiere un voltaje mínimo (aproximadamente 0.7V para diodos de silicio) para que el diodo conduzca.
Polarización del Diodo
- Polarización Directa: Al aplicar un voltaje positivo al lado p y negativo al lado n, los electrones son atraídos hacia el terminal positivo, y los huecos hacia el negativo. Esto reduce la barrera de potencial y permite la conducción de corriente.
- Polarización Inversa: Al aplicar un voltaje negativo al lado p y positivo al lado n, se ensancha la barrera de potencial, impidiendo el flujo de corriente. El diodo actúa como un aislante.
Tipos Especiales de Diodos
Diodo Zener
A diferencia de los diodos convencionales, el diodo Zener está diseñado para operar en polarización inversa. Conduce cuando el voltaje inverso supera un valor específico llamado tensión de ruptura. Esta tensión es característica de cada diodo Zener.
Diodo LED
El diodo LED (Light Emitting Diode) emite luz al ser polarizado directamente. La luz emitida puede ser de diferentes colores (rojo, verde, ámbar, etc.). Los LEDs operan con voltajes bajos (alrededor de 2V) y son ampliamente utilizados en la industria automotriz. Es crucial respetar la polaridad del LED, indicada por la longitud de sus terminales.
El Transistor: Amplificador y Conmutador
El transistor es un componente crucial en la electrónica, actuando como amplificador o interruptor de señales. Está formado por la unión de tres capas de material semiconductor.
Composición del Transistor
Existen dos tipos principales de transistores:
- Transistor PNP: Secuencia de capas p-n-p.
- Transistor NPN: Secuencia de capas n-p-n.
Cada zona tiene una conexión externa:
- Base (B): Conexión central.
- Emisor (E): Conexión con una flecha en el símbolo del transistor.
- Colector (C): La tercera conexión.
El Transistor como Relé Electromagnético
El transistor puede funcionar como un relé, controlando el flujo de corriente entre el colector y el emisor mediante una pequeña corriente en la base. La corriente entre colector y emisor es significativamente mayor (aproximadamente 100 veces) que la corriente de base. La principal ventaja del transistor sobre el relé electromagnético es su velocidad de respuesta.
Inconvenientes:
- Caída de tensión entre colector y emisor durante la conducción.
- Pequeña corriente de fuga en la base, incluso cuando no conduce, que puede causar calentamiento.
Par Darlington
El par Darlington es una configuración de dos transistores conectados en cascada para obtener una mayor ganancia de corriente. Se comporta como un único transistor con una alta ganancia. Sus ventajas incluyen:
- Mayor intensidad de salida.
- Menor espacio requerido en comparación con dos transistores individuales.
Tiristor: Control de Potencia
El tiristor es un componente de potencia utilizado para controlar grandes corrientes y voltajes.
Composición del Tiristor
Un tiristor consta de cuatro capas de semiconductores (p-n-p-n) y tiene tres terminales:
- Ánodo (A)
- Cátodo (K)
- Compuerta (G)
Características de Funcionamiento
El tiristor actúa como un diodo controlado. Conduce del ánodo al cátodo cuando se polariza directamente y se aplica un pulso de corriente a la compuerta. Una vez activado (cebado), el tiristor continúa conduciendo incluso si se elimina la señal de la compuerta. Para bloquear el tiristor, se debe interrumpir la corriente entre el ánodo y el cátodo.
A diferencia del transistor, que conduce mientras hay corriente en la base, el tiristor permanece en conducción hasta que se interrumpe la corriente principal. Los tiristores son adecuados para aplicaciones de alta potencia.
Efecto Hall: Aplicaciones en Automoción
El efecto Hall se basa en la generación de un voltaje transversal en un conductor cuando se encuentra en un campo magnético. En automoción, se utiliza para medir la velocidad de rotación, por ejemplo, en sistemas de encendido y ABS. Una pantalla discontinua interrumpe el campo magnético, generando variaciones de voltaje que se corresponden con la velocidad de rotación.