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Tema 3. Semiconductores: diodo, transistor y

tiristor

El descubrimiento del diodo y el estudio sobre el comportamiento de los semiconductores, desembocó en que

a mediados del siglo pasado, se desarrollara el transistor, que sustituiría a la válvula de vacío y

posteriormente el circuito integrado, esto abrió las posibilidades a todo un mundo de avances tecnológicos.

El desarrollo de la microelectrónica, como se denomina la electrónica de los circuitos integrados, ha sido

imparable. Desde su comercialización, el número máximo de componentes integrados en un chip, se duplicó

cada año desde los 100 iniciales. En la segunda mitad de los años setenta, al introducirse la integración a

gran escala (VLSI) y superar los 10.000 componentes, se ingresó en la época actual, en la que es normal

encontrar varios millones de componentes integrados en un chip muy pequeño, por ejemplo en los

microprocesadores de los ordenadores personales.

En los circuitos electrónicos se utilizan de forma habitual componentes no lineales, existe una magnitud cuyo

valor depende a su vez de otra, pero esta variación no responde a una función lineal. Entre estos

componentes se encuentran los semiconductores.

Un semiconductor es un material que, dependiendo de las circunstancias en las que se encuentre, se

comportará como un conductor o un aislante, así podemos decir que a bajas temperaturas son

aislantes y a altas temperaturas son conductores.

Los elementos semiconductores más utilizados son el silicio (Si) y el germanio (Ge).

A la tecnología de los semiconductores también se la conoce como tecnología del silicio.

Tanto el silicio como el germanio, tienen en su última capa cuatro electrones, que van a formar enlaces

covalentes con otros átomos, de manera que formen una red estable. Tal y como puedes ver en la figura:

Unidad 5: Electrónica de potencia e instalaciones eléctricas Tema 3: Semiconductores: diodo, transistor y tiristor

Electrotecnia Página 1 de 18

Imagen 1: Red de silicio.Fuente: Imagen propia creada con paint.

Ahora bien, si en esta red introducimos una serie de impurezas en forma de elementos trivalentes o

pentavalentes, diremos que el material está dopado.

Si el material que añadimos, es un elemento pentavalente, como por ejemplo es fósforo (P), lo que

conseguimos es que en la red haya un exceso de electrones, por lo que diremos que es un semiconductor

tipo N. Obtenemos un elevado número de electrones.

Si ahora añadimos un elemento trivalente, como puede ser el aluminio (Al), tendremos un exceso de protones

(huecos), a este tipo de semiconductor se le denominará tipo P. Obtenemos un elevado número de huecos.

Imagen 2: Semiconductor dopado tipo N.Fuente: Imagen propia creada con Paint.

A los semiconductores dopados, se les denomina semiconductores extrínsecos.



Si quieres saber más sobre el valle del silicio (Silicon Valley) te recomiendo que leas el siguiente

artículo:

Valle del Silicio



3.1. Diodo

Vamos a empezar viendo el semiconductor más básico de todos: el diodo.

El diodo es un semiconductor formado por la asociación de dos semiconductores extrínsecos, uno tipo P y

otro Tipo N, tal y como puedes ver en la figura:

Imagen 3: Unión PN.Fuente: Imagen propia creada con Paint.

Imagen 4: Diodo.Fuente: Banco de imagenes del ITE.

Licencia Creative Commons.

A la zona P la vamos a denominar ánodo y a la zona N cátodo, de forma que el paso de corriente del ánodo al

cátodo va a ser fácil, mientras que del cátodo al ánodo será difícil.

El símbolo de un diodo es el siguiente:

Imagen 5: Símbolo del diodo.Fuente: Imagen propia creada con Paint.

Funcionamiento de un diodo

Vamos a ver qué ocurre cuando conectamos una fuente de tensión continua, una resistencia, un diodo y una

lámpara en serie:



Imagen 6: Circuito con diodo.Fuente: Imagen propia creada con Paint.

En este caso la bombilla no se iluminará, el diodo se opondrá al paso de corriente, debido a que el polo

positivo de la pila está enfrentado con el cátodo (parte positiva del diodo), por lo tanto, el diodo impedirá el

paso de corriente.

Veamos ahora que ocurre si cambiamos de posición el diodo:

Imagen 7: Circuito con diodo.Fuente: Imagen propia creada con Paint.

Observa que ahora el positivo de la pila se encuentra con el ánodo (parte negativa del diodo), por lo tanto va a

facilitar el paso de corriente y la bombilla se iluminará.

Responde a la siguientes cuestiones con verdadero o falso:

a) Al terminal positivo se le denomina ánodo:

Verdadero Falso

b) Un diodo está formado por la unión de tres semiconductores extrínsecos:

Verdadero Falso

c) La corriente circula de ánodo a cátodo:

Verdadero Falso



3.1.1.Tipos de diodos

Podemos diferenciar los siguientes tipos de diodos:

Diodo de unión: es el diodo que has estudiado anteriormente, consiste en la unión de dos materiales

extrínsecos, uno de tipo P y otro de tipo N, que dependiendo de cómo estén conectados, permitirá o

impedirá el paso de corriente.

Diodo Zener: es un diodo especial, su principal característica es que trabaja en su zona inversa, esto

quiere decir que, si aplicamos una corriente de cátodo a ánodo, la respuesta del diodo no va a ser

impedir el paso de corriente, sino fijar el valor de una tensión, que denominaremos tensión Zener.

Su símbolo es el siguiente:

Imagen 8: Diodo Zener.Fuente: Imagen propia creada con paint.

Vamos a ver con un ejemplo gráfico, como funciona un diodo zener:

Imagen 9: Circuito Zener.Fuente: Imagen de creación propia.

Imagen 10: Circuito equivalente zener.Imagen de creación propia.

Fotodiodo: es un diodo sensible a la acción de la luz.


Imagen 11: Símbolo de un fotodiodo.Fuente: Imagen propia.

Diodo emisor de luz (LED): es un diodo que emite luz cuando circula una corriente a través de él.




Imagen 12: Símbolo de un LED.Fuente: Imagen propia.

Otros tipos:

Diodos tunel.

Diodos unitunel o Backward.

Diodos Gunn.

Diodos de capacidad variable.

Diodos PIN.



3.1.2. Aplicaciones de los diodos

Hasta ahora has visto como funciona un diodo de unión y un diodo zener. Pero veamos las principales

aplicaciones de estos semiconductores.

Rectificador de media onda

En ocasiones necesitamos eliminar el periodo negativo de una onda de corriente alterna, eso lo vamos a

conseguir conectando un diodo en serie con la fuente de corriente alterna, el diodo permitirá el paso de

corriente durante el periodo positivo y lo impedirá durante el periodo negativo. El circuito será el de la figura:

Imagen 13: Circuito rectificador de media onda.Fuente: Imagen propia.

Partimos de una senoide y llegamos a una onda recortada tal y como puedes ver en las dos imágenes

siguientes.

Imagen 14: Senoide.Fuente: Imagen propia creada con Graph.

Imagen 15: Senoide recortada.Fuente: IClipping.

Rectificador de doble onda

Este tipo de rectificador es el que vamos a emplear para convertir una señal alterna en una continua, si te fijas

en este tipo de rectificador, lo que vamos a conseguir es convertir el periodo negativo en positivo. El circuito

será el siguiente:



Imagen 16: Puente rectificador de doble onda.Fuente: Wikipedia. Licencia. Creative commons.

La onda senoidal la vamos a convertir en una onda con todos los periodos positivos:

Imagen 17: Senoide.Fuente: Wikipedia. Licencia Creative commons.

Imagen 18: Onda rectificada.Fuente:Wikipedia. Licencia Creative Commons.

Estabilizador de tensión

Como estudiaste en el apartado anterior (ver imágenes 9 y 10), lo que conseguimos con el diodo zener, es

mantener la tensión constante entre dos puntos, a pesar de las posibles variaciones de tensión e intensidad en

el circuito.

Indicadores

Para indicar que existe un paso de corriente en un equipo, utilizaremos diodos LED, que se iluminarán

indicando el estado del equipo, se utilizan tanto a nivel industrial como doméstico.

Para hacer un rectificador de media onda necesitamos:

a) Un diodo.

b) Dos diodos.

c) Cuatro diodos.

Un rectificador de doble onda es necesario para:



a) Transformar la corriente continua en alterna.

b) Transformar la corriente alterna en continua.

c) Transformar corrientes alternas de muy alto valor en otras de menor valor.

Un diodo Zener se utiliza en:

a) En electrónica de muy altas frecuencias.

b) Como indicador luminoso.

c) Como estabilizador de tensión.

Un diodo LED se utiliza para:

a) Estabilizar la tensión.

b) Como indicador luminoso.

c) Como detector acústico.



3.2. Transistor

Un transistor va a estar constituido por tres materiales semiconductores, dos de tipo P y uno de tipo N, o bien

dos de tipo N y uno de tipo P, por lo tanto tendremos dos posibles combinaciones PNP y NPN.

Estas uniones van a dar lugar a tres zonas que vamos a denominar de la siguiente forma:

Región Emisor: se encarga de enviar electrones hacia la zona central, que llamaremos base.

Región Base: va a ser la zona de control del transistor.

Región Colector: recibe los electrones que mayoritariamente han sido enviados por el emisor.

Imagen 19: Transistor. Fuente: Wikipedia.Banco de imágenes del ITE.Licencia Creative commons.

Los dos símbolos del transistor, dependiendo si son NPN o PNP son los siguientes:



Imagen 20: Símbolo transistor NPN.Fuente: Wikipedia. Licencia Creative Commons.

Imagen 21: Símbolo transistor PNP.Fuente: Wikipedia. Licencia Creative commons.

Fíjate que en el NPN la corriente sale por el emisor, mientras que en el PNP entra por el emisor.

Funcionamiento de un transistor

Para que un transistor funcione, es necesario cerrar los circuitos mediante resistencias y generadores, de

forma que se van a establecer unas tensiones entre sus terminales, que provocarán unas corrientes, tal y

como puedes ver en la imagen siguiente:

Imagen 22: Circuito polarizado.Fuente: Imagen de elaboración propia con Paint.

Para las tensiones se tiene que cumplir que:

Y para las intensidades:

Vamos a ver ahora el concepto de ganancia, que vendrá representada por β y que dependerá del tipo de

transistor y de su estructura. Podremos decir que, la intensidad de colector es β veces la intensidad de base,



por tanto tendremos que:

Para saber mas sobre la historia de los transistores te recomiendo que leas el siguiente enlace:

Historia de los transistores



3.2.1. Estados de funcionamiento. Aplicaciones.

Tipos

Estados de funcionamiento

Dependiendo de las tensiones e intensidades que apliquemos sobre el transistor, vamos a tener tres formas

de trabajo:

Corte: esta situación se va a dar cuando e son nulas, por lo que el transistor estará

bloqueado, el hecho de que ambas tensiones sean nulas provocará que el valor de sea nulo.

Saturación: en esta situación, la y la van a ser máximas, va a existir una avalancha de

corriente.

Activa: en esta situación, el transistor se va a comportar de acuerdo con la fórmula: .

Aplicaciones

De acuerdo con los estados en que puede funcionar un transistor, nos vamos a encontrar con los siguientes

casos:

Amplificador: el transistor se va a encargar de aumentar la ganancia de corriente β veces.

Electrónica digital:

cuando el transistor esté en corte, es lo que conoceremos como "0" y equivaldría a un circuito

abierto.

cuando el transistor esté en saturación, es lo que conoceremos como "1" y equivaldría a un

cortocircuito.

El hecho de que un transistor pueda pasar de un estado a otro, va a permitir que podamos hacer funciones de

conmutación.

Tipos

Bipolar: es el que hemos estado estudiando durante todo este apartado.

Fototransistor: es sensible a los rayos infrarrojos.

Otros tipos:

Transistor Uniunión.

Transistor de base permeable.

Transistor de aleación.

Transistor IGBT.

Completa los espacios en blanco.

Un transistor puede tener tres formas de trabajo, , y

. En el primer caso, el transistor se comporta como un circuito , en el segundo de los

casos, como un y en la última de las formas de trabajo, como

.



3.3. Tiristor

Un tiristor es un semiconductor de cuatro capas, donde los estados de corte y conducción, pueden ser

controlados por medio de corriente o tensión, mediante un terminal denominado puerta (G), este terminal va a

ser el que regule la tensión de ruptura y el instante en el que se produce el disparo del tiristor.

Imagen 23: Tiristor.Fuente: Wikipedia. Banco de imágenes del ITE.

Licencia Creative Commons.

Un tiristor va a estar polarizado de forma directa cuando la tensión entre ánodo y cátodo sea positiva, e

inversa en caso contrario.

El símbolo de un tiristor va a ser el siguiente:

Imagen 24: Símbolo del tiristor.Fuente: Imagen propia elaborada con paint.

Polarización directa

Nos podemos encontrar con dos casos, dependiendo de la intensidad de puerta :



Intensidad de puerta nula: a pesar de no poseer intensidad de puerta, como la conexión

va a ser de ánodo a cátodo, los electrones se van a poder difundir a través de dicha

unión, lo que provocará una aceleración de los electrones, con lo que se establecerá una

corriente de circulación a través del semiconductor.

1.

Intensidad de puerta positiva: va a favorecer ese flujo de electrones, cuanto mayor sea

el valor de esa corriente, menor tendrá que ser la tensión ánodo-cátodo.

2.

Una vez que hemos llevado el tiristor a su estado de conducción, la puerta pierde su acción de control y el flujo

de electrones se mantiene. Para bloquear el tiristor, lo que tendremos que hacer será disminuir la corriente

ánodo-cátodo.

Polarización inversa

La respuesta del tiristor va a ser similar a la de un diodo normal, es decir, se opondrá al paso de corriente. La

corriente de puerta no tiene ningún efecto sobre el semiconductor.

El tiristor se puede considerar un elemento unidireccional en el que la corriente sólo circula en dirección

ánodo-cátodo. Podremos modificar el momento del disparo mediante un terminal llamado puerta, por el

que podemos inyectar una corriente de electrones.



3.3.1. Características de puerta. Tipos.

Aplicaciones

Características de puerta

Modificando las características de la puerta, podremos dimensionar el tiristor más adecuado para nuestro

circuito, para ello vamos a estudiar la curva característica que puedes ver a continuación:

Imagen 25: Curva característica de un tiristor.Fuente: Imagen propia creada con Paint.

Para entender la curva, primero vamos a explicar los diferentes parámetros que aparecen en la misma:

: es la intensidad de puerta máxima.

: es la intensidad de puerta mínima.

: es la intensidad de fuga que se produce en la puerta.

: es la tensión de puerta máxima.

: es la tensión de puerta mínima.

: es la tensión de fuga.

: potencia media máxima disipable en la unión puerta-cátodo.

: potencia de puerta máxima en la unión puerta-cátodo.

De acuerdo con la gráfica, verás que hemos numerado cuatro zonas, el comportamiento del tiristor en esas

cuatro zonas va a ser diferente, vamos a analizarlas:

Zona 1: no es posible el disparo o encendido del tiristor.

Zona 2: posible encendido, pero limitado por la corriente y tensión de la unión puerta-cátodo.

Zona 3: disparo seguro.



Zona 4: zona de destrucción del tiristor.

La curva 0 - C podemos considerarla como valores intermedios del encendido de un tiristor.

Tipos

Sin entrar en más detalles, a continuación tienes algunos tipos de tiristores de los muchos que existen.

De control de fase (SCR).

De triodo (TRIAC).

De conducción inversa (RTC).

De inducción estática (SITH).

Aplicaciones

Entre sus muchas y variadas aplicaciones, destacamos aquellas donde se utilizan tensiones o corrientes de un

elevado valor, como elementos de control, o como interruptores automáticos.



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