Estos semiconductores se utilizan como elementos de conmutación; pueden trabajar a una velocidad mayor en comparación con los tiristores, pero su capacidad de tensión (voltaje) y corriente son inferiores.
Grupos funcionales
Dentro de los transistores de potencia podemos encontrar 4 grupos funcionales:
Transistores bipolares de juntura (BJT)
Transistores semiconductores de metal de óxido de efecto de campo (MOSFET)
El tiristor es un componente electrónico constituido por elementos semiconductores que utiliza realimentación
interna para producir una conmutación. Los materiales de los que se
compone son de tipo semiconductor, es decir, dependiendo de la
temperatura a la que se encuentren pueden funcionar como aislantes o
como conductores. Son dispositivos unidireccionales porque solamente
transmiten la corriente en un único sentido. Se emplea generalmente para
el control de potencia eléctrica.
El dispositivo consta de un ánodo y un cátodo, donde las uniones son
de tipo PNPN entre los mismos. Por tanto se puede modelar como 2
transistores típicos PNP y NPN, por eso se dice también que el tiristor
funciona con tensión realimentada. Se crean así 3 uniones (denominadas
J1, J2, J3 respectivamente), el terminal de puerta está conectado a la
unión J2 (unión NP).
Funcionamiento básico
El tiristor es un conmutador biestable, es decir, es el equivalente electrónico de los interruptores
mecánicos; por tanto, es capaz de dejar pasar plenamente o bloquear por
completo el paso de la corriente sin tener nivel intermedio alguno,
aunque no son capaces de soportar grandes sobrecargas de corriente.
El diseño del tiristor permite que éste pase rápidamente a encendido
al recibir un pulso momentáneo de corriente en su terminal de control,
denominada puerta cuando hay una tensión
positiva entre ánodo y cátodo, es decir la tensión en el ánodo es mayor
que en el cátodo. Solo puede ser apagado con la interrupción de la
fuente de voltaje, abriendo el circuito, o bien, haciendo pasar una
corriente en sentido inverso por el dispositivo. Si se polariza
inversamente en el tiristor existirá una débil corriente inversa de
fugas hasta que se alcance el punto de tensión inversa máxima,
provocándose la destrucción del elemento.
Para que el dispositivo pase del estado de bloqueo al estado activo,
debe generarse una corriente de enganche positiva en el ánodo, y además
debe haber una pequeña corriente en la compuerta capaz de provocar una
ruptura por avalancha en la unión J2 para hacer que el dispositivo
conduzca. Para que el dispositivo siga en el estado activo se debe
inducir desde el ánodo una corriente de sostenimiento, mucho menor que
la de enganche, sin la cual el dispositivo dejaría de conducir.
Funcionamiento de un diodo rectificador común de media onda
Para comprender mejor la forma en que funciona un semiconductor diodo, es necesario recordar primero que la corriente alterna (C.A.) circula por el
circuito eléctrico
formando una sinusoide, en la que medio ciclo posee polaridad positiva
mientras y el otro medio ciclo posee polaridad negativa.
Animación de un circuito rectificador simple de media onda, compuesto por un solo diodo.
En la animación de arriba se puede apreciar que en el
proceso de rectificación de la corriente alterna (C.A.) utilizando un
solo diodo, durante un primer medio ciclo negativo los electrones
circularán por el circuito atravesando primero el diodo y a continuación
el consumidor o carga eléctrica, representado por una resistencia (R).
En ese instante, en los extremos de la resistencia se podrá detectar
una corriente directa "pulsante" que responde a ese medio ciclo. En el
medio ciclo siguiente (esta vez positivo), los electrones cambiarán su
sentido de circulación y no podrán atravesar ni la resistencia, ni el
semiconductor diodo, porque en ese instante el camino estará bloqueado
por el terminal positivo del diodo y no habrá circulación de corriente
por el circuito. A continuación y durante el medio ciclo siguiente
negativo, de nuevo el diodo vuelve a permitir el paso de los electrones,
para bloquearlo nuevamente al cambiar la corriente el sentido de
circulación y así sucesivamente mientras se continúe suministrándole
corriente al diodo.
Funcionamiento de los diodos rectificadores de onda completa
Cuando un circuito eléctrico o electrónico requiere de una
corriente directa
que no sea pulsante, sino mucho más lineal que la que permite un simple
rectificador de media onda, es posible combinar de dos a cuatro diodos
rectificadores de forma tal que la resultante sea una corriente directa
(C.D.) con menos oscilaciones residuales.
La mayoría de los circuitos eléctricos que funcionan con
corriente directa (C.D.),
emplean rectificadores de onda completa compuestos por cuatro diodos. A
continuación se
ilustran tres formas de esquematizar en un diagrama la
conexión de esos cuatro diodos para obtener un rectificador de onda
completa.
Diferentes formas de representar esquemáticamente
un mismo puente rectificador de onda completa integrado por cuatro
diodos, aunque la figura de la izquierda es la
forma más
común de representarlo.
Un puente rectificador de cuatro diodos funciona
de la siguiente forma: como se puede observar en la parte (A) de la ilustración, durante el primer medio ciclo negativo (–)
de la corriente que proporciona la fuente de suministro alterna (C.A.)
conectada al puente rectificador, los electrones atraviesan primero el
diodo (1), seguidamente el consumidor (R) y después el diodo (2)
para completar así la circulación de la corriente de electrones por una
mitad del circuito correspondiente al puente rectificador.
Como aclaración, al llegar los electrones en su recorrido al punto de conexión (a), no pueden atravesar el diodo (4)
porque, de acuerdo con la colocación que éste ocupa en el circuito,
bloqueará o impedirá la circulación de los electrones en ese sentido.
Una vez que los electrones continúan su recorrido, al llegar al punto de conexión (b), tampoco pueden atravesar el diodo (4),
porque la corriente de electrones nunca circula en dirección a su
propio encuentro (de forma similar a como ocurre con la corriente de
agua en un río), sino que siempre se mueve en dirección al polo opuesto
de la fuente de suministro que le proporciona la energía eléctrica, o
sea, el polo positivo de la corriente alterna (C.A.) en este caso.
En la parte (B) de la ilustración podemos ver que la corriente alterna
cambia la polaridad y, por tanto, el sentido de circulación de los
electrones. En esta ocasión, los electrones atraviesan primeramente el
diodo (3), a continuación atraviesan el consumidor (R) y, por último, el diodo (4)
para retornar a la fuente de suministro eléctrico y completar así el
circuito. De forma similar a lo ocurrido en el ciclo anterior, ahora el
diodo (1) es el encargado de bloquearle el paso a los electrones para que se puedan dirigir en dirección al consumidor (R), mientras que el diodo (2)
tampoco pueden atravesarlo los electrones, porque no pueden ir a su
propio encuentro, tal como ocurre en el medio ciclo anterior.
Animación del funcionamiento del rectificador de
onda completa o puente rectificador, compuesto por cuatro diodos.
Como se habrá podido apreciar, tanto en el primer medio ciclo, como en el siguiente, los signos de polaridad positiva (+) y negativa (–) a la salida del circuito del puente de rectificación donde se encuentra conectado el consumidor (R), se mantiene constante, pues una vez rectificada la
corriente alterna (C.A.) y convertida en
directa (C.D.)
las polaridades no sufren variación alguna como ocurre con la corriente
alterna a la entrada del circuito. En esa ilustración se puede ver
también que a la salida del circuito de rectificación se obtienen una
serie de pulsaciones continuas, es decir, no intermitentes como ocurre
cuando se emplea un solo diodo rectificador en un circuito de media
onda.
Cuando se somete al diodo a una diferencia de tensión externa, se
dice que el diodo está polarizado, pudiendo ser la polarización directa o inversa.
Polarización directa de un diodo
La batería disminuye la barrera de la zona
de carga espacial, permitiendo el paso de la corriente de electrones a
través de la unión; es decir, el diodo polarizado directamente conduce
la electricidad.
Para que un diodo esté polarizado directamente, se debe conectar el
polo positivo de la batería al ánodo del diodo y el polo negativo al
cátodo. En estas condiciones podemos observar que:
El polo negativo de la batería repele los electrones libres del
cristal n, con lo que estos electrones se dirigen hacia la unión p-n.
El polo positivo de la batería atrae a los electrones de valencia
del cristal p, esto es equivalente a decir que empuja a los huecos hacia
la unión p-n.
Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batería es
mayor que la diferencia de potencial en la zona de carga espacial, los
electrones libres del cristal n, adquieren la energía suficiente para
saltar a los huecos del cristal p, los cuales previamente se han
desplazado hacia la unión p-n.
Una vez que un electrón libre de la zona n salta a la zona p
atravesando la zona de carga espacial, cae en uno de los múltiples
huecos de la zona p convirtiéndose en electrón de valencia. Una vez
ocurrido esto el electrón es atraído por el polo positivo de la batería y
se desplaza de átomo en átomo hasta llegar al final del cristal p,
desde el cual se introduce en el hilo conductor y llega hasta la
batería.
Polarización inversa de un diodo
En este caso, el polo negativo de la batería
se conecta a la zona p y el polo positivo a la zona n, lo que hace
aumentar la zona de carga espacial, y la tensión en dicha zona hasta que
se alcanza el valor de la tensión de la batería, tal y como se explica a
continuación:
El polo positivo de la batería atrae a los electrones
libres de la zona n, los cuales salen del cristal n y se introducen en
el conductor dentro del cual se desplazan hasta llegar a la batería. A
medida que los electrones libres abandonan la zona n, los átomos que
antes eran neutros, adquieren estabilidad, con lo que se convierten en
iones positivos.
El polo negativo de la batería cede electrones libres a los átomos de la zona p. Recordemos que estos átomos sólo tienen 3
electrones de valencia, con lo que una vez que han formado los enlaces
covalentes con los átomos de silicio.Cuando los electrones libres cedidos por la batería entran
en la zona p, caen dentro de estos huecos con lo que los átomos adquieren estabilidad, convirtiéndose así en iones
negativos.
Este proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga espacial adquiere el mismo potencial eléctrico que la batería.
En esta situación, el diodo no
debería conducir la corriente; sin embargo, debido al efecto de la
temperatura se formarán pares electrón-hueco a ambos lados de la unión
produciendo una pequeña corriente (del orden de 1 μA) denominada corriente inversa de saturación. Además, existe también una denominada corriente superficial de fugas
la cual conduce una pequeña corriente
por la superficie del diodo; ya que en la superficie, los átomos de
silicio no están rodeados de suficientes átomos para realizar los cuatro
enlaces covalentes necesarios para obtener estabilidad. Esto hace que
los átomos de la superficie del diodo, tanto de la zona n como de la p,
tengan huecos en su orbital de valencia con lo que los electrones
circulan sin dificultad a través de ellos. No obstante, al igual que la
corriente inversa de saturación, la corriente superficial de fuga es
despreciable.
FORMACIÓN DE UN DIODO DE SILICIO DE UNIÓN "p-n"
En el momento que un cristal semiconductor de silicio (Si) de conducción “tipo-p” (positivo) se pone en contacto con otro cristal semiconductor también de silicio, pero de conducción “tipo-n” (negativo), se crea un diodo de empalme o de unión “p-n”.
Si al diodo así formado le conectamos una fuente de corriente
eléctrica, éste reacciona de forma diferente a como ocurre con cada una
de las dos partes semiconductoras por separado, tal como se pudo ver en
el ejemplo anterior.
Representación gráfica de las dos
partes que componen. un diodo de silicio de unión p-n: a la izquierda la parte. positiva (P) y a la derecha la negativa (N). En la ilustración. se puede apreciar la “zona de deplexión” que se forma. alrededor del punto donde se unen los dos cristales. semiconductores de diferente polaridad. El punto de unión. p-n de los dos cristales se denomina “barrera de potencial. del diodo”.
En el punto de unión p-n de las dos piezas semiconductoras
de diferente polaridad que forman el diodo, se crea una “barrera de
potencial”, cuya misión es impedir que los electrones libres
concentrados en la parte negativa salten a la parte positiva para unirse
con los huecos presentes en esa parte del semiconductor. Hasta tanto
los electrones no alcancen el nivel de energía necesario que le debe
suministrar una fuente de energía externa conectada a los dos extremos
del diodo, no podrán atravesar esa barrera.
Por otra parte, a ambos lados de la barrera de potencial se forma una
“zona de deplexión” (también llamada zona de agotamiento, de vaciado, de
carga espacial o de despoblación). Esa es una zona o región aislada,
libre de portadores energéticos, que se origina alrededor del punto de
unión de los dos materiales semiconductores dopados de diferente forma y
que poseen también polaridades diferentes. La función de la “zona de
deplexión” es alejar a los portadores de carga energética (electrones)
del punto de unión p-n cuando el
diodo no se encuentra energizado con la tensión o voltaje suficiente, o cuando se energiza con una tensión o voltaje inverso.
El efecto que se crea al unir simplemente un cristal semiconductor de
silicio tipo-p con otro de tipo-n, equivale a tener conectada una
batería o fuente de suministro de energía imaginaria en los extremos del
diodo. Bajo esas circunstancias la “zona de deplexión” que se crea a
ambos lados de la unión p-n obliga a los huecos o agujeros de la parte
positiva (P) alejarse de ese punto de empalme o unión, mientras que los
electrones en exceso en la parte negativa (N) reaccionan de igual forma
alejándose también del propio punto, hasta tanto no adquieran la energía
suficiente que les permita atravesar la barrera de potencial.
Para que los electrones en exceso en el semiconductor con polaridad
negativa (N) puedan atravesar la barrera de potencial del diodo y saltar
a la parte positiva y “llenar” los huecos, es necesario energizarlos
suministrándoles una
corriente eléctrica o diferencia de potencial en los extremos del diodo, por medio de una batería o cualquier otra fuente de fuerza electromotriz. Cuando la
tensión
aplicada al diodo de silicio alcanza 0,7 volt, el tamaño de la zona de
deplexión se reduce por completo y los electrones en la parte negativa
adquieren la carga energética necesaria que les permite atravesar la
barrera de potencial. A diferencia de los diodos de silicio (Si), los de
germanio (Ge) sólo requieren 0,3 volt de polarización directa para que
la zona de deplexión se reduzca y los electrones adquieran la carga
energética que requieren para poder atravesar la barrera de potencial.
Un diodo semiconductor está hecho de cristal semiconductor
como el silicio con impurezas en él para crear una región que contiene
portadores de carga negativos (electrones), y una región en el otro lado que contiene portadores de carga
positiva (huecos). El límite dentro del cristal de estas dos
regiones, llamado una unión PN,
es donde la importancia del diodo toma su lugar. El cristal conduce una
corriente de electrones del lado n (llamado cátodo), pero no en la
dirección opuesta; es decir, cuando una corriente convencional fluye del
ánodo al cátodo (opuesto al flujo de los electrones).
Arriba.- Símbolo gráfico general de
identificación de un semiconductor diodo. Abajo.- Aspecto
externo real de un diodo de silicio de estado sólido en el cual el
ánodo (positivo) sería el. extremo que se ha señalado con la letra
“A” y el cátodo (negativo) el extremo opuesto, señalado
con la letra “K”. Este extremo está siempre rodeado por
una franja color plata para identificar que corresponde al cátodo.
Al unir ambos cristales, se manifiesta una difusión de electrones del cristal n al p.
Al establecerse una corriente de difusión, estas corrientes aparecen
cargas fijas en una zona a ambos lados de la unión, zona que recibe el
nombre de región de agotamiento.
A medida que progresa el proceso de difusión, la región de
agotamiento va incrementando su anchura profundizando en los cristales a
ambos lados de la unión. Sin embargo, la acumulación de iones positivos
en la zona n y de iones negativos en la zona p, crea un campo eléctrico que actuará sobre los electrones libres de la zona n con una
determinada fuerza de desplazamiento, que se opondrá a la corriente de electrones y terminará deteniéndolos.
Este campo eléctrico es equivalente a decir que aparece una
diferencia de tensión entre las zonas p y n. Esta diferencia de
potencial (VD) es de 0,7 V en el caso del silicio y 0,3 V para los cristales de germanio.
Semiconductor tipo P
Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado,
añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar
el número de portadores de carga libres (en este caso positivos o huecos).
Cuando se añade el material dopante libera los electrones más
débilmente vinculados de los átomos del semiconductor. Este agente
dopante es también conocido como material aceptor y los átomos del semiconductor que han perdido un electrón son conocidos como huecos.
El propósito del dopaje
tipo P es el de crear abundancia de huecos. En el caso del silicio, un
átomo tetravalente (típicamente del grupo 14 de la tabla periódica) se
le une un átomo con tres electrones de valencia, tales como los del
grupo 13 de la tabla periódica (ej. Al, Ga, B, In), y se incorpora a la
red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo
tendrá tres enlaces covalentes y un hueco producido que se encontrará en
condición de aceptar un electrón libre.
Así los dopantes crean los "huecos". No obstante, cuando cada hueco
se ha desplazado por la red, un protón del átomo situado en la posición
del hueco se ve "expuesto" y en breve se ve equilibrado como una cierta
carga positiva. Cuando un número suficiente de aceptores son añadidos,
los huecos superan ampliamente la excitación térmica de los electrones.
Así, los huecos son los portadores mayoritarios, mientras que los electrones son los portadores minoritarios en los materiales tipo P. Los diamantes azules (tipo IIb), que contienen impurezas de boro (B), son un ejemplo de un semiconductor tipo P que se produce de manera natural.
Semiconductor tipo N
Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso negativos o electrones).
Cuando se añade el material dopante aporta sus electrones más
débilmente vinculados a los átomos del semiconductor. Este tipo de
agente dopante es también conocido como material donante ya que da algunos de sus electrones.
El propósito del dopaje tipo n es el de producir abundancia de electrones portadores en el material. Para ayudar a entender cómo se produce el dopaje tipo n considérese el caso del silicio (Si). Los átomos del silicio tienen una valencia atómica de cuatro, por lo que se forma un enlace covalente
con cada uno de los átomos de silicio adyacentes. Si un átomo con cinco
electrones de valencia, tales como los del grupo 15 de la tabla
periódica (ej. fósforo (P), arsénico (As) o antimonio
(Sb)), se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de
silicio, entonces ese átomo tendrá cuatro enlaces covalentes y un
electrón no enlazado. Este electrón extra da como resultado la formación
de "electrones libres", el número de electrones en el material supera
ampliamente el número de huecos, en ese caso los electrones son los portadores mayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios.
A causa de que los átomos con cinco electrones de valencia tienen un
electrón extra que "dar", son llamados átomos donadores. Nótese que cada
electrón libre en el semiconductor nunca está lejos de un ion dopante
positivo inmóvil, y el material dopado tipo N generalmente tiene una carga eléctrica neta final de cero.
