capitulogratis.pdf

Introducción
a la electrónica
Un poco de historia 70
¿Qué es la electrónica? 71
Componentes electrónicos 72
Semiconductores 85
Circuitos integrados 105
Resumen 107
Actividades 108
Capítulo 3
Antes de adentrarnos en el mundo
de la electrónica digital, debemos
entender el concepto de electrónica,
además de otras nociones básicas.
En este capítulo, haremos un repaso
de los temas más importantes: veremos
qué es la electrónica, algunos
componentes electrónicos básicos
y algunos otros temas importantes,
para después poder entrar de lleno
en el tema de la electrónica digital.
ELECTRÓNICA DIGITAL
SERVICIO DE ATENCIÓN AL LECTOR: www.libros.redusers.com
03_ElectronicaDigital.qxp 24/06/2008 15:43 Página 69

UN POCO DE HISTORIA
La electrónica nace allá por el año 1883 con Thomas Alba Edison quien, después
de haber inventado la lámpara incandescente, se dio cuenta de que las ampolletas
de vidrio se oscurecían luego de algún tiempo. Tratando de evitar esto, hizo varios
experimentos, uno de los cuales consistía en colocar una placa de metal frente al fi-
lamento. Después descubrió que, si conectaba la placa al polo positivo de la bate-
ría, se producía una corriente eléctrica, a pesar de no haber contacto alguno entre
la placa y el filamento. Y al invertir la polaridad de la batería, no había ninguna co-
rriente. Esto es lo que se conoce como emisión termoiónica, o también como el
efecto Edison, ya que fue él quien lo descubrió.
Figura 1. El efecto Edison se genera al conectar la placa
de metal al polo positivo de la batería; la placa se carga positivamente
atrayendo a los electrones que se desprenden del filamento.
Más tarde, en 1905, el investigador John Ambrose Fleming, quien había estudia-
do el efecto Edison, desarrolló, aprovechando este efecto, un tubo de vacío o vál-
vula, la cual dejaba pasar la corriente eléctrica en un solo sentido. Este primer tu-
bo de vacío fue llamado diodo y se aprovechó para la rectificación de la corriente
alterna. Poco tiempo después, a Lee de Forest se le ocurrió poner una rejilla entre
el filamento y la placa para poder controlar el flujo de electrones, dando lugar al tu-
bo llamado tríodo, el cual fue utilizado para amplificar señales, o construir oscila-
dores; así nació la electrónica. Con el tiempo, surgieron otros tipos de válvulas co-
mo el tetrodo o el pentodo, además de que se fueron perfeccionando. Esto permi-
tió el desarrollo de los primeros aparatos electrónicos, como la radio o la televisión.
3. INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA
70
Filamento
Batería
Lámina de metal

¿QUÉ ES LA ELECTRÓNICA?
Como podemos darnos cuenta, la electrónica está muy relacionada con la electrici-
dad. Todos sabemos que debemos utilizar electricidad para hacer funcionar cual-
quier aparato electrónico. Sin ella, simplemente, es inútil. Por eso, la electrónica es
una rama de la electricidad y, a su vez, de la física, que es la que estudia los fenóme-
nos eléctricos. Por este motivo, en el Capítulo 1 hemos estudiado algo de electrici-
dad. Los aparatos eléctricos sólo utilizan la electricidad para transformarla en otro
tipo de energía, por ejemplo en luz, en calor o movimiento. La electrónica va más
allá de esto, aprovecha también la electricidad, pero de manera diferente. Como ya
hemos visto, la electrónica nace con los tubos de vacío o válvulas. Éstas permiten el
desarrollo de los primeros sistemas como amplificadores, osciladores y rectificado-
res, que a su vez dan origen a sistemas como la radio o la televisión, con las que se
inicia el consumo masivo de los aparatos electrónicos. Dado su origen en los tubos
de vacío, una primera definición de electrónica fue:
La ciencia que estudia el comportamiento
de los electrones en los tubos de vacío.
Pero como toda ciencia o técnica, la electrónica evoluciona de manera constante, y, a
finales de la década del 40, nacen los transistores, que inician una nueva era de la
electrónica, ya que son mucho más pequeños, duraderos y eficientes que las válvulas,
a las que reemplazan casi por completo. Los transistores y los dispositivos fabricados
con semiconductores permiten que los aparatos electrónicos sean de menor tamaño,
y más eficientes en cuanto a su funcionamiento y consumo de energía. Así que pode-
mos redefinir el concepto básico de la electrónica después de los transistores como:
La ciencia que estudia y aprovecha la electricidad
mediante dispositivos semiconductores y otros.
Hacia finales de la década del 50, nace una técnica revolucionaria que permite a la
electrónica avanzar mucho: los circuitos integrados, con los que se entra en la era
de la microelectrónica. Los circuitos integrados permiten el desarrollo de sistemas
mucho más complejos, además de hacer los aparatos electrónicos más pequeños
aún, más duraderos y confiables. Los sistemas electrónicos actuales manejan señales
complejas y llevan a cabo tareas muy específicas, por lo que podemos definir a la
electrónica actual como:
La rama de la ingeniería que estudia el aprovechamiento
de la electricidad en diferentes componentes o dispositivos para generar,
transmitir o almacenar información, y otras aplicaciones.
¿Qué es la electrónica?
71

En la actualidad, la electrónica es parte fundamental de nuestras vidas. Sería difícil
imaginar una sociedad moderna sin aparatos electrónicos, los cuales llevan a cabo ta-
reas de las más diversas: nos ayudan a medir el tiempo; a hacer cálculos complejos en
una fracción de segundo; nos entretienen con música, videos o juegos; nos permiten
comunicarnos a grandes distancias en tiempo real, automatizan tareas complejas en
la industria, nos permiten almacenar grandes cantidades de información e, incluso,
facilitan el desarrollo de vehículos robóticos que exploran planetas distantes y pue-
den ser controlados desde la Tierra. Sus aplicaciones parecen no tener límites, por eso
la electrónica es actualmente una de las ramas más importantes de la ciencia y de la
ingeniería. Por lo tanto, en este capítulo, estudiaremos los conceptos básicos y los
componentes electrónicos principales como introducción para después poder aden-
trarnos en la electrónica digital desarrollada en los siguientes capítulos.
COMPONENTES ELECTRÓNICOS
Para comprender el funcionamiento de algún dispositivo o circuito electrónico, de-
bemos entender primero cómo funcionan sus componentes, los cuales se encargan
de procesar la electricidad y las señales en los circuitos. A continuación, estudiare-
mos de forma básica los principales componentes electrónicos.
Resistores
El primer elemento que analizaremos será el resistor, o también llamado resisten-
cia. Éste es uno de los componentes más comunes de los circuitos electrónicos. Co-
mo hemos mencionado antes, la principal función de este elemento es de oponerse
al paso de la corriente eléctrica. Puede sonar contradictorio el hecho de buscar opo-
nerse a la corriente, pero en ocasiones, necesitaremos que así sea.
Como hemos visto en el Capítulo 1, la ley de Ohm es la que nos ayuda a anali-
zar el comportamiento de los resistores y de cualquier material que ofrezca resis-
72
Los resistores tienen una variada aplicación en los aparatos eléctricos de generación de calor.
El elemento calefactor de una plancha o de un cautín, por ejemplo, o un tostador de pan que se
pone al rojo vivo, es simplemente un resistor que transforma la energía eléctrica en calor.
LOS RESISTORES COMO CALEFACTORES
❘❘❘

tencia al paso de la corriente. Dicha ley relaciona la resistencia eléctrica, el vol-
taje y la corriente (Figura 2). De esta forma, podemos calcular cualquiera de es-
tos valores, si conocemos los otros dos.
Figura 2. La relación entre el voltaje, la corriente
y la resistencia está dada por la ley de Ohm.
Resistores en serie y paralelo
Los resistores también pueden agruparse en serie, es decir, uno conectado a la ter-
minal de otro, o en paralelo, con las dos terminales de uno conectadas a las de otro
resistor. Así podemos calcular la resistencia equivalente en cada caso.
Figura 3. Los resistores pueden agruparse en serie o paralelo en un circuito.
Para los resistores agrupados en serie, simplemente debemos sumar la resistencia de
cada uno para obtener la resistencia equivalente. Por ejemplo, si tenemos dos re-
sistores de 100 Ohms conectados en serie, la resistencia equivalente será de 200
Componentes electrónicos
73
V = IR
R
V
I
Serie Paralelo
R2
R1
R2
R1
+
--

Ohms. De esta manera, la resistencia equivalente en serie (RS) para cualquier núme-
ro de resistores es:
Supongamos que tenemos dos resistores en serie. La corriente que circula en ellos se-
rá la misma para cada uno, y el voltaje se divide según el valor de los resistores, por lo
que a los resistores conectados en serie se los llama también divisores de voltaje.
Figura 4. Los resistores conectados en serie dividen
el voltaje mientras la corriente es la misma para todos.
La relación del voltaje en cada resistor está dada por la expresión:
Así podemos calcular el voltaje en las terminales de los resistores del circuito. Ob-
servemos que, si dos resistores son iguales, es decir, si tienen el mismo valor, el vol-
taje se dividirá exactamente a la mitad.
R1
V1 = --------------------------- V
R1 + R2
R2
V2 = --------------------------- V
R1 + R2
RS = R1 + R2 + ... + Rn
74
I
V
R1
R2
V1
V2

Para el caso de resistores conectados en paralelo, debemos calcular la resistencia
equivalente para cualquier número de resistores conectados en paralelo:
Simplificando, para sólo dos resistores conectados en paralelo:
Ahora, si tenemos dos resistores conectados en paralelo, el voltaje en ellos será el
mismo y lo que se dividirá será la corriente que pasará en cada uno, por lo que a los
resistores en paralelo se los puede llamar divisores de corriente.
Figura 5. Los resistores conectados en paralelo tienen
el mismo voltaje en sus terminales y dividen la corriente.
R1 R2
Rp = -----------------------
R1 + R2
1 1 1 1
-------------- = -------------- + -------------- + ... + --------------
Rp R1 R2 Rn
75
Actualmente, se han sustituido las válvulas por transistores o dispositivos fabricados con semicon-
ductores. De todos modos, aún podemos encontrar válvulas en algunas aplicaciones, tales como
amplificadores de alta potencia. Además, hay quienes afirman que un amplificador de audio con
válvulas genera un mejor sonido que los de transistores.
❘❘❘ USO ACTUAL DE LAS VÁLVULAS
R1 R2
I1 I2
V
I

La corriente que circula por cada resistor se calcula mediante la expresión:
En el archivo Midiendo voltajes y corrientes.dsn que incluimos en el sitio web de la
editorial (www.libros.redusers.com), podemos ver la simulación de un divisor de
voltaje y de un divisor de corriente.
Figura 6. Simulación en Proteus de un divisor de voltaje y de un divisor de corriente.
En el divisor de voltaje, tenemos dos resistores de 100 Ohms cada uno. Podemos
ver en la simulación cómo el voltaje de la fuente se divide exactamente en dos. Si
cambiamos el valor de los resistores, podemos apreciar los cambios en los voltajes,
según los valores que les asignemos. El divisor de corriente también está formado
por dos resistores de 100 Ohms cada uno, pero ahora conectados en paralelo. En
los medidores apreciamos la medición de la corriente que pasa por cada uno, que
es la mitad, ya que los resistores son iguales.
R2
I1 = -------------------------- I
R1 + R2
R1
I2 = -------------------------- I
R1 + R2
76

Potencia
La resistencia al paso de la corriente se genera cuando los electrones chocan con-
tra la red de átomos del material con que están fabricados los resistores, lo cual los
frena quitándoles energía. Pero como sabemos, por la ley de la conservación de la
energía, ésta no se crea ni se destruye, sólo se transforma. Así que la energía ciné-
tica que se le quita a los electrones es transformada en otro tipo de energía, es de-
cir, en calor. La cantidad de calor producida por un resistor depende de la corrien-
te que circule a través de él, ya que cuantos más electrones circulen, habrá más co-
lisiones. Y cuanto más veloces sean esos electrones, también se producirá más ca-
lor. Pero la corriente depende del voltaje aplicado al resistor, así que la cantidad de
calor será el producto de la corriente y el voltaje aplicado a determinado resistor,
lo cual es llamado potencia, y está definida por la expresión:
Donde:
P = Potencia (W)
V = Voltaje de corriente directa (V)
I = Corriente (A)
Con esta expresión podemos calcular la potencia, expresada en Watts, que se generará
en un resistor cuando le apliquemos un voltaje, y, por consecuencia, se genera una co-
rriente en él. Los resistores en el mundo real tienen una capacidad limitada de poder
disipar el calor generado en ellos. Es decir, de transferir el calor al aire que los rodea. Si
se sobrepasa esta capacidad, el resistor se dañará irremediablemente. Así que debemos
tomar en cuenta la potencia que se generará en un resistor para elegir el adecuado.
Tipos de resistores
Existen distintos tipos de resistores en el merca-
do. Los más comunes son los resistores de car-
bón, que están fabricados con este material para
poder darles una resistencia determinada. Este
tipo de resistores son de pequeñas potencias, tí-
picamente de 1/4 W, 1/2 W, 1W o 2W.
Figura 7. Los resistores de carbón
tienen bandas impresas en su cuerpo para indi-
carnos su valor y tolerancia.
P = VI
77

En la Figura 8, podemos observar el código que permite calcular el valor de los re-
sistores de 4 y 5 bandas (3 bandas que indican el valor y una de tolerancia, o 4 ban-
das para el valor y una de tolerancia).
Figura 8. Podemos observar el código de colores para calcular el valor
de resistores de carbón de 3 y 4 bandas. La última banda define la tolerancia.
Otro tipo de resistores son los de alambre, formados por un alambre muy delgado en
forma de espiral. Recordemos que la resistencia de un material está dada por la longitud
y el área transversal, así se logra obtener una resistencia determinada. El alambre es re-
cubierto por un material cerámico para darle estabilidad y ayudar a disipar el calor. Es-
tos resistores pueden tener potencias que van desde los 2W hasta más de 20W.
Figura 9. En los resistores de alambre encontramos el valor
y la potencia impresa en el cuerpo del componente.
Un tipo especial de resistores son los de montaje superficial (SMD), elementos muy
pequeños, que ocupan muy poco espacio. Estos resistores tienen forma de un cuadra-
dito de color negro con dos pequeñas terminales y se colocan directamente en la cara
de un circuito impreso. Es decir, no hay terminales que tengan que insertarse. Estos
78
4.7K Ω 5%
Banda 1 Banda 2 Banda 3 Multiplicador Tolerancia
Negro 0 0 0 x1
Marrón 1 1 1 x10 ±1%
Rojo 2 2 2 x100 ±2%
Naranja 3 3 3 x1000
Amarillo 4 4 4 x10000
Verde 5 5 5 x100000 ±0,5%
Azul 6 6 6 x1000000 ±0,25%
Violeta 7 7 7 x10000000 ±0,1%
Gris 8 8 8 ±0,05%
Blanco 9 9 9
Dorado x0,1 ±5%
Plata x0,01 ±10%
237 Ω 1%

modelos tienen el código impreso en números: los dos primeros, los dígitos y el ter-
cero, el multiplicador. Por ejemplo, un código 102 será un resistor de 1000 ó 1K.
Figura 10. Algunos resistores SMD montados
en un circuito están marcados como R8, R12 y R13.
Existen también resistores variables, es decir, que permiten cambiar su resistencia.
Estos resistores son llamados presets o potenciómetros y permiten, mediante un
control giratorio o deslizable, variar su resistencia.
Figura 11. A la izquierda podemos observar los símbolos
utilizados para representar resistencias variables y presets en un circuito
y, a la derecha, la apariencia de un potenciómetro típico.
Capacitores
El segundo elemento que analizaremos serán los capacitores. Un capacitor está for-
mado por dos placas metálicas separadas por un material dieléctrico o aislante. Es
decir, por un material que no permite el paso de los electrones de una placa a la otra.
Los capacitores son elementos que almacenan energía, al contrario de los resistores
79
Resistores variables
Preset o
Potenciómetro

que la transforman en calor. En la Figura 12, vemos la estructura elemental de un
capacitor, también llamado condensador.
Figura 12. Un capacitor consta de dos placas metálicas separadas
por un material aislante. El material aislante puede ser cualquiera, incluso el aire.
Así como hemos hablado antes de cuerpos cargados eléctricamente mediante electri-
cidad estática, el capacitor se comporta precisamente de esa forma, manteniendo sus
placas cargadas eléctricamente. Cuando se le induce una carga por algún medio, una
placa se cargará positivamente y la otra negativamente. El capacitor tiene la propie-
dad de mantener esa carga en sus placas mientras no haya algo que las descargue.
Cuando conectamos una fuente de voltaje a las terminales de un capacitor, se gene-
rará una corriente mientras las placas se cargan. Una vez que las placas quedan car-
gadas, la corriente cesa. Si conectamos un capacitor a una fuente, éste se cargará has-
ta alcanzar el voltaje de la fuente, es decir, si desconectamos el capacitor de la fuen-
te y medimos el voltaje en sus terminales, será el mismo de la fuente. En un capaci-
tor ideal, esta carga permanecerá indefinidamente en sus placas.
La capacidad de almacenar cargas de un capacitor depende del área de las placas:
mientras mayor sea el área de las placas, mayor carga almacenará. La cantidad de
80
El cinescopio de cualquier televisor está construido de vidrio, pero tiene un revestimiento con-
ductor, tanto en el interior como en el exterior, llamado aquadag. Esto forma un gran capacitor
que es utilizado para filtrar la alta tensión. Este capacitor retiene mucha carga y por eso es pe-
ligroso intentar reparar un televisor si no descargamos antes este capacitor.
EL CINESCOPIO
❘❘❘
Placas
Dieléctrico

cargas que puede almacenar un capacitor depende también de la forma de las pla-
cas y de su separación: mientras más cerca estén las placas, la carga almacenada se-
rá mayor. El tipo de dieléctrico utilizado es muy importante, ya que es el que real-
mente almacena las cargas eléctricas. Esta capacidad o capacitancia se mide en car-
ga sobre voltaje y se expresa en Faradios en honor a Michael Faraday:
Donde:
C = Capacitancia (F)
Q = Carga (C)
V = Voltaje (V)
La capacitancia significa que por cada volt aplicado a un capacitor se almacenará de-
terminada carga: a mayor capacitancia, mayor carga almacenada. Por ejemplo, un
capacitor de 1 Faradio almacenará 1 Coulomb por cada volt que se le aplique. Co-
mo ya estudiamos en el Capítulo 1, una unidad de carga, es decir 1 Coulomb, es
una cantidad extremadamente grande, por lo que un capacitor de 1 Faradio sería
enorme. Los capacitores generalmente tienen valores muy pequeños y se expresan
en submúltiplos como en micro (μ) 10-6, el nano (n) 10-9 o el pico (p) 10-12.
Figura 13. Al observar los diferentes símbolos para representar
un capacitor, podemos notar cómo algunos tienen polaridad.
Q
C = -----------
V
81
Actualmente se están desarrollando capacitores fabricados con nanotubos de carbono, lo cual
aumenta de manera extraordinaria el área de las placas. Así, en un pequeño espacio se puede
tener una capacitancia extremadamente alta, permitiendo almacenar una gran cantidad de
energía. En un futuro próximo, estos supercapacitores podrían reemplazar a las pilas actuales.
❴❵ SUPERCAPACITORES DE NANOTUBOS
+ + +
+

Capacitores en serie y paralelo
Los capacitores también pueden agruparse en serie o paralelo. Al contrario de los
resistores, en los capacitores conectados en serie disminuye la capacitancia total. Po-
demos calcular la capacitancia total en serie para cualquier número de capacitores
mediante la expresión:
Para dos capacitores podemos simplificar:
Para los capacitores en paralelo, al contrario de lo que pasa con los resistores, se su-
ma la capacitancia. De esta manera, podemos obtener la capacitancia total en pa-
ralelo simplemente sumándolas:
Figura 14. Los capacitores también pueden agruparse en serie o paralelo
en un circuito, aunque la suma en cada caso es contraria a la de los resistores.
Cp = C1 + C2 + ... Cn
C1 C2
CS = --------------------------
C1 + C2
1 1 1 1
-------------- = -------------- + -------------- + ... --------------
CS C1 C2 Cn
82
Serie
C1
C1 C2
C2
Paralelo

Una característica por tomar en cuenta al elegir un capacitor es el voltaje máximo
que puede soportar sin dañarse. Si le aplicamos un voltaje mayor al que soporta, el
dieléctrico se dañará ya que la electricidad saltará de una placa a la otra perforando
el material dieléctrico y alterando sus propiedades; así, dejará inservible al capacitor.
Tipos de capacitores
Existen diferentes tipos de capacitores según su construcción. Los más comunes son
los cerámicos de disco, que tienen un material dieléctrico de cerámica y se usan pa-
ra capacitancias bajas, del orden de los picofaradios mayormente. Los capacitores
cerámicos están marcados mediante un código llamado JIS (Japan Industrial Stan-
dard), el cual consta de dos o tres dígitos, según el caso, que se leen de la siguiente
forma: si sólo son dos dígitos, se toma ese valor, que estará dado en picofaradios. Por
ejemplo, un capacitor marcado con un 27 será un capacitor de 27pF. Si son tres dí-
gitos, entonces se toman los primeros dos, y el tercero será el número de ceros que
hay que agregar al valor de los dos primeros dígitos. Nuevamente, el valor obtenido
será en picofaradios. Un ejemplo de esto lo constituye un capacitor marcado con un
102: tomamos los dos primeros dígitos (10) y le aumentamos dos ceros (por el nú-
mero 2), obteniendo un valor de 1000pF, lo que es lo mismo que 1nF. Si el tercer
dígito es un cero, entonces no se agrega nada, y el
valor se obtiene sólo tomando en cuenta los dos
primeros dígitos. Por ejemplo, un capacitor cerámi-
co marcado como 270 tendría un valor de 27pF.
Figura 15. En los capacitores cerámicos,
podemos observar sus valores impresos
en el cuerpo. El color naranja claro es típico, aunque
pueden ser también de color verde.
Otro tipo de capacitores son los de poliéster metalizado, que utilizan un dieléctri-
co de poliéster sometido a un proceso de metalizado. Estos capacitores resisten ma-
yores voltajes de operación que los cerámicos, del orden de los 100V o más. Ade-
más, resisten mayor temperatura y son más inmunes al
ruido. También tienen capacitancias un poco más altas
que los cerámicos. Este tipo de capacitores emplean el
código JIS para escribir el valor en su cuerpo.
Figura 16. Los capacitores de poliéster tienen un aspecto
típico y, generalmente, su forma es rectangular.
83

Un tipo muy especial de capacitores son los electrolíticos, que están diseñados pa-
ra ofrecer grandes capacitancias para equipos que así lo requieran. Estos capacitores
se fabrican enrollando dos láminas de aluminio y dos láminas de papel mojado en
un electrolito hasta formar un cilindro. Luego se hace pasar una corriente para que
el electrolito reaccione con el aluminio formando una capa de óxido de aluminio
que será el aislante o dieléctrico del capacitor. De esta forma, se logran altas capaci-
tancias dada la gran superficie de las placas. Este tipo de capacitores están en el or-
den de los 0.1uF hasta 15000uF o más.
Dado que el aislante es el óxido de aluminio formado por la corriente eléctrica, esta
clase de capacitores es del tipo polarizado. Éstos, a diferencia de los de poliéster y ce-
rámicos, deben colocarse siempre en un solo sentido. Es decir, tienen marcado sobre
su cuerpo la terminal que debe conectarse a tierra, o a un potencial menor que la otra.
Esto es muy importante, ya que si lo conectamos al re-
vés se dañará. Además, estos capacitores tienen la des-
ventaja de variar su capacitancia con la temperatura, y
de tener grandes tolerancias, del orden del 50% o más.
Figura 17. Los capacitores electrolíticos
tienen una forma cilíndrica. Sobre su cuerpo se indica
qué terminal va conectada a tierra mediante
un signo menos (es la terminal más corta).
En el archivo Capacitores carga-descarga.dsn que incluimos en el sitio web de la edito-
rial (www.libros.redusers.com), podemos observar un circuito de ejemplo de la carga
y descarga de un capacitor para comprobar cómo un capacitor almacena energía.
Figura 18. Simulación de la carga y descarga de un capacitor donde
podemos apreciar cómo un capacitor es capaz de almacenar cargas eléctricas.
84

En este circuito observamos cómo, al mover el interruptor hacia la izquierda, el ca-
pacitor se carga a través de R1 y el LED1 haciendo que se encienda. Al completarse
la carga del capacitor, la corriente cesa y el LED se apaga. Al mover el interruptor
hacia la derecha, el capacitor se descarga a través de R2 y el LED2, y éste enciende
mientras el capacitor se descarga.
SEMICONDUCTORES
Los componentes fabricados con semiconductores son de gran importancia para la
electrónica moderna. Hoy en día, prácticamente no hay ningún sistema electróni-
co en el que no existan componentes fabricados sobre la base de semiconductores.
En esta sección veremos los conceptos básicos de los semiconductores para poder
comprender el funcionamiento de los componentes fabricados con estos materiales.
El principal material semiconductor es el silicio, aunque también se puede utilizar ger-
manio u otros. Estos elementos presentan la particularidad de tener 4 electrones en la
última órbita de cada uno de sus átomos. De esta manera, al unirse a otros electrones,
se forma una red cristalina con cada uno de sus átomos unido a otros cuatro átomos
mediante enlaces covalentes, de modo que no quedan electrones libres. Dada esta con-
figuración, el silicio o el germanio se comportan más como aislantes que como con-
ductores, pero a pesar de esto, tienen algunas propiedades interesantes.
Figura 19. Estructura de la red cristalina del silicio con cada átomo unido
a otros cuatro mediante enlaces covalentes. No hay electrones libres.
Semiconductores
85
Si Si Si
Si Si Si
Si Si Si

Semiconductores intrínsecos
Se los llama así dado que, en su estado puro, se comportan como semiconductores, es
decir, por sí solos sin ninguna modificación. Los átomos que forman una red cristali-
na tienen diferentes bandas en donde se encuentran los electrones. La banda de valen-
cia es en la que se encuentran los electrones de la última capa de los átomos. También
existe otra llamada banda de conducción, que es donde normalmente se encuentran
los electrones libres que pueden desplazarse sin trabas. En los conductores, la banda de
valencia y la banda de conducción están sobrepuestas, así que los electrones pueden pa-
sar de una banda a otra en cualquier momento, lo que les permite conducir la electri-
cidad. En los aislantes, existe una separación entre estas bandas llamada gap o banda
prohibida, que es muy grande, de modo que los electrones no pueden saltar de la ban-
da de valencia a la de conducción. En los semiconductores, la banda prohibida es pe-
queña, lo que permite que los electrones puedan saltar a la banda de conducción de-
pendiendo de su energía. En los semiconductores intrínsecos, puede pasar una míni-
ma cantidad de corriente eléctrica, aunque se comportan más como aislantes.
Semiconductores extrínsecos
Existe otro tipo de semiconductores, que es el que especialmente nos interesa: los
semiconductores extrínsecos. Para lograr un semiconductor extrínseco, se lleva a
cabo una modificación en la estructura, llamada dopado. El dopado consiste en in-
troducir impurezas en la estructura cristalina, es decir, una pequeña cantidad de áto-
mos de otros elementos químicos. Dependiendo de los elementos que se utilicen,
podemos tener semiconductores extrínsecos de dos tipos.
Semiconductor tipo N
En este tipo de semiconductores, el material de silicio se contamina o dopa con áto-
mos de fósforo o arsénico, los cuales contienen cinco electrones en sus capas exterio-
res. Al introducirse en la estructura del silicio, cada átomo de impureza sustituye a un
átomo de silicio, lo que provoca que cada átomo de estos elementos se una con cuatro
átomos de silicio de la red y quede un electrón libre que puede moverse a través del
material. Como los electrones libres tienen carga negativa, de ahí su nombre tipo N.
86
Los capacitores electrolíticos tienen polaridad, por lo que debemos poner atención en esto al co-
nectarlos en cualquier circuito, ya que si lo hacemos de manera incorrecta, la reacción de oxi-
dación en el capacitor intentará llevarse a cabo en reversa, provocando sobrecalentamiento y,
eventualmente, que el capacitor reviente.
PUEDEN ESTALLAR
✱

Figura 20. Estructura de un semiconductor tipo N. El arsénico (As),
al sustituir un átomo de silicio (Si), queda con un electrón libre.
Semiconductor tipo P
A diferencia del semiconductor N, en este tipo de semiconductores, el silicio es
contaminado o dopado con átomos de boro o galio, los cuales tienen sólo tres
electrones en sus capas externas. Así, cuando un átomo de estos elementos sus-
tituye a uno de silicio dentro de la estructura, la ausencia de un electrón genera-
rá un hueco en donde puede entrar fácilmente un electrón, y así podrá conducir
la electricidad. Se denomina tipo P a este tipo de material semiconductor dado
que, al tener huecos por la ausencia de un electrón en las uniones de las impu-
rezas, se considera como cargado positivamente.
Figura 21. Estructura de un semiconductor tipo P. El boro (B),
al sustituir un átomo de silicio (Si), queda con un hueco en la unión.
Semiconductores
87
Si Si Si
Si As Si
Si Si Si
Electrón libre
Si Si Si
Si B Si
Si Si Si
Hueco

Así, los materiales semiconductores extrínsecos pueden conducir la corriente eléc-
trica fácilmente debido a la modificación de su estructura.
Los semiconductores tipo N o tipo P no sirven de mucho por sí solos. Lo intere-
sante aparece cuando se unen estos dos materiales, uno tipo P y otro tipo N, es
decir, se colocan juntos en lo que se llama una unión PN, dando origen a los
componentes que veremos en forma detallada a continuación.
Diodos
Los diodos son los componentes más sencillos formados por semiconductores. Co-
mo ya mencionamos, podemos tener una unión de los dos tipos de semiconducto-
res (unión PN). Al poner juntos los dos materiales semiconductores diferentes, un
diodo es una simple unión PN a la cual se le colocan dos terminales, una en cada
región semiconductora. Esta unión se comporta de una manera muy particular.
Figura 22. Una unión PN formada por los dos tipos
de semiconductores es la base de construcción de los diodos.
Si tenemos una unión PN o un diodo y conectamos una pila o fuente de corriente
directa en sus terminales, entonces sucederá lo siguiente, según la polaridad:
Si conectamos la terminal positiva de la pila a la región N y la negativa a la región
P, el potencial negativo de la pila atraerá a los huecos del material hacia la región P,
mientras que el potencial positivo atraerá a los electrones de la región N. De esta
forma, no podrá pasar ninguna corriente a través del dispositivo, ya que en la unión
no hay portadores libres. Se dice que se polariza inversamente.
88
Algunos autores también llaman filtros a los capacitores, dado que una de las principales fun-
ciones de estos componentes es, precisamente, ser utilizados como filtros. Pero un capacitor no
siempre es un filtro, por lo que sería más correcto llamarlos capacitores o condensadores.
¿CAPACITORES O FILTROS?
❴❵
P N

Figura 23. Polarización inversa de un diodo. Las cargas
son atraídas a los extremos, y no puede pasar la corriente.
Si invertimos la polaridad de la fuente, sucederá lo contrario: el potencial positivo
de la fuente rechazará a los huecos de la región P, haciendo que vayan hacia la zona
de la unión, y el potencial negativo rechazará a los electrones de la región N, ha-
ciéndolos también desplazarse hacia la unión. Esto permite que, al juntarse los hue-
cos y los electrones en la unión, éstos puedan fluir de la región N a la región P, y así
el diodo conduce la corriente eléctrica. Se dice que se polariza directamente.
Figura 24. Polarización directa de un diodo. De esta forma,
el diodo permite el paso de la corriente eléctrica en él.
Semiconductores
89
Sabemos que los semiconductores extrínsecos son del tipo N y P. Para un semiconductor tipo N,
los electrones son llamados portadores mayoritarios, y los huecos, portadores minoritarios.
Por el contrario, para un semiconductor tipo P, los portadores mayoritarios serán los huecos, y
los minoritarios, los electrones.
❘❘❘ PORTADORES
P N
--
+
+
+
+
+
+
+
+
+ --
--
--
--
--
--
--
+
+
+
+
+
+
--
--
--
--
--
--
--
+ --
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
--
--
--
--
--
-- --
--
--
--
--
--
--
--

Así, tenemos que el diodo puede polarizarse de forma inversa, y no dejará pasar la
corriente eléctrica, o en forma directa, que sí lo hará. Entonces podemos decir que
un diodo es un elemento o componente que deja pasar la corriente en un solo
sentido. La aplicación más sencilla de un diodo está en los aparatos electrónicos que
utilizan pilas, como los juguetes. En ellos, se coloca un diodo en serie con la pila
para evitar un daño en caso de que coloquemos las pilas al revés ya que, si la pola-
ridad es correcta, el diodo deja pasar la corriente y si no, simplemente no pasará, y
así se evita que se dañen otros componentes.
Figura 25. Estructura de la unión PN y la correspondencia
con el símbolo para representar un diodo en un diagrama.
A la terminal de la región P, se la llama ánodo y, a la
terminal de la región N, se la llama cátodo. El símbo-
lo para representar un diodo lo vemos en la Figura 25.
Figura 26. Los diodos rectificadores
generalmente son de color negro.
La banda en un costado indica el cátodo.
90
Los diodos también se conocen como rectificadores, ya que una de sus aplicaciones más impor-
tantes es precisamente ésa. Sin embargo, un diodo no siempre se usa para rectificar. Por eso,
lo correcto es llamarlos simplemente diodos, pero si alguna vez alguien nos pide un rectificador,
ya sabremos a qué se refiere.
¿DIODO O RECTIFICADOR?
❴❵
Unión PN
Ánodo Cátodo
Símbolo
P N

Como todos los componentes, el diodo no es perfecto. En la Figura 27, podemos obser-
var el diagrama del voltaje y la corriente que representa el comportamiento de un diodo.
Figura 27. El diagrama típico del comportamiento real de un diodo, donde
podemos observar el voltaje de polarización y las diferentes zonas de funcionamiento.
Como vemos, existe una tensión de ruptura o tensión zener, que es un voltaje en
el cual, en polarización inversa, hará que el diodo conduzca también corriente a pe-
sar de estar polarizado inversamente. Para los diodos comunes, ese voltaje es muy
alto y no se alcanzará nunca en un circuito en condiciones normales, así que no ha-
brá que poner mucha atención. Después viene la región de no conducción, en la
cual el diodo polarizado inversamente no conduce ninguna corriente. Esto es en
teoría, ya que en la realidad sí lo hace, pero esa corriente es tan pequeña que resul-
ta despreciable. Continúa la región de conducción, que es la zona en donde el dio-
do dejará pasar la corriente porque está polarizado directamente. Observemos que
el valor inicial de la región de conducción no es 0, es decir, se necesita un pequeño
voltaje para polarizar el diodo y que éste comience a conducir la corriente. En los
diodos de silicio, este voltaje es de unos 0.7V, es decir, el diodo no comenzará a
conducir hasta que se sobrepase este voltaje de polarización.
Los diodos tienen multitud de aplicaciones, pero una de las más importantes es la
de rectificar la corriente alterna. Si colocamos un diodo a una fuente de corriente
alterna, como sabemos, la corriente sólo puede pasar en un sentido a través del dio-
Semiconductores
91
Corriente
Voltaje
0.7V
Región de
conducción
Región de
no conducción
Región
Zener

do, así que la mitad de la onda será recortada según la polaridad de éste. De esta
manera, se recortará la parte negativa o positiva de la onda según cómo coloquemos
el diodo. Los rectificadores se usan principalmente para poder transformar un vol-
taje de CA en uno de CD, el resto lo veremos con detalle más adelante, en la sec-
ción de fuentes de alimentación del Capítulo 4.
El archivo Diodos y rectificacion.dsn que incluimos en www.libros.redusers.com
contiene ejemplos de cómo un diodo se polariza directa o inversamente según el
voltaje aplicado a sus terminales. Además, podemos ver cómo los diodos son usa-
dos para rectificar un voltaje de corriente alterna.
Figura 28. Simulación para mostrar el comportamiento
de los diodos en corriente directa y corriente alterna.
En los dos primeros circuitos, tenemos un par de diodos con un voltaje aplicado de
CD en el que podemos observar cómo, cuando se polariza directamente, deja pasar
la corriente y, cuando se polariza inversamente, no. En la parte inferior del gráfico
tenemos un diodo con un voltaje de corriente alterna aplicado. En los gráficos, po-
demos apreciar cómo la señal de entrada se rectifica o recorta a la salida del diodo.
Es decir, el diodo sólo deja pasar la parte positiva de la señal.
Diodos zener
En este tipo de diodos, precisamente se aprovecha la región zener. Es decir, se fabri-
can con un dopado muy alto para hacer que el voltaje de ruptura sea bajo. Este ti-
po de diodos se utiliza como regulador de voltaje, ya que la tensión se mantiene
92

constante en sus terminales cuando se lo polariza inversamente, en el valor del vol-
taje zener, sin importar cuán alto sea el voltaje aplicado.
Figura 29. Diferentes símbolos para representar un diodo zener
dentro de un diagrama; el primero es el más común.
Diodos emisores de luz (LED)
Otro tipo de diodos son los diodos emisores de luz, mejor conocidos por su sigla
en inglés LED (Light Emitting Diode). Cuando la unión PN dentro de cualquier
diodo se polariza directamente, en la zona de la unión se genera el encuentro entre
los huecos de la región P y los electrones libres de la región N. Cuando un electrón
cae en uno de los huecos, pierde energía que se transforma en fotones.
Figura 30. El símbolo de un LED es parecido al de un diodo común.
Se agregan dos flechas para representar la emisión de luz.
Los LEDs tienen muchas aplicaciones en el campo de la optoelectrónica: desde la
fabricación de indicadores, señales, pantallas de LEDs o linternas, hasta aplicacio-
nes de iluminación para el decorado de interiores o iluminación en automóviles.
Veamos, ahora, las ventajas y desventajas de usar LEDs.
Semiconductores
93
Cátodo
Reflector
Chip
Epoxy
Símbolo
Estructura
Ánodo

Ventajas:
• Operación con bajos voltajes y corrientes.
• Prácticamente no generan calor.
• Resistentes a vibraciones.
• Muy largo tiempo de vida.
• Alta velocidad de apagado/encendido.
• Pequeños.
• Pueden encontrarse en una gran gama de colores.
• Alta eficiencia.
Desventajas:
• Precio. El costo inicial es más alto.
• Polaridad. Se deben conectar correctamente.
Como vemos, los LEDs tienen muchas ventajas, por eso actualmente su utilización
se extiende cada vez más.
En un diodo común, se generan fotones de muy baja energía que no son visibles. Pa-
ra lograr que emitan luz visible, se deben usar otros materiales, en los cuales la energía
perdida de cada electrón al caer en un hueco genere fotones en el espectro de luz in-
frarroja o visible. Así se utilizan diferentes materiales para generar distintas longitudes
de onda, y poder lograr luz infrarroja o de diferentes colores. En la Tabla 1, vemos al-
gunos materiales con los que se fabrican los LEDs para obtener variados tipos de luz.
COMPUESTO COLOR
Arseniuro de galio (GaAs) Infrarrojo
Arseniuro de galio y aluminio (AlGaAs) Rojo e infrarrojo
Arseniuro fosfuro de galio (GaAsP) Rojo, naranja y amarillo
Nitruro de galio (GaN) Verde
Fosfuro de galio (GaP) Verde
Seleniuro de zinc (ZnSe) Azul
Nitruro de galio e indio (InGaN) Azul
Carburo de silicio (SiC) Azul
Tabla 1. Diferentes materiales para fabricación de LEDs y los colores que producen.
Como ya sabemos, el voltaje de polarización para un diodo típico de silicio debe ser
0.7V, pero para los LEDs, este voltaje es mayor debido al material con que están fa-
bricados. Recordemos que en un LED requerimos de mayor energía en los electrones
para que emitan luz. Entonces, los voltajes de polarización serán más altos, típicamen-
94

te en un rango entre 1.7 y 4.6V dependiendo del color del LED. En la Tabla 2, po-
demos ver los valores típicos de voltajes para los diferentes colores de LEDs.
COLOR VOLTAJE TÍPICO
Rojo 1.7 volts
Rojo alto brillo 1.9 volts
Naranja y amarillo 2.0 volts
Verde 2.1 volts
Blanco brillante, verde brillante, azul 3.4 volts
Azul brillante 4.6 volts
Tabla 2. Voltajes de trabajo de LEDs para cada color.
También hay que controlar la corriente que pasa por un LED si pensamos aplicar-
le un voltaje más alto, para evitar que se dañe por una corriente excesiva. Esto lo
logramos mediante la colocación de un resistor en serie con el LED, que limitará
la corriente. La corriente recomendada por los fabricantes es: 10mA para el azul
brillante, 12mA para los LEDs de 3.4V, y 20mA para los de bajo voltaje. Si hace-
mos pasar una mayor corriente de la recomendada en un LED, el brillo puede au-
mentar un poco, pero reducirá la vida útil del LED o, incluso, lo dañará. Podemos
calcular el valor del resistor mediante la fórmula:
Donde:
R = Resistencia (Ω)
VF = Voltaje de la fuente, el voltaje que necesitemos aplicar (V)
VLED = Voltaje de LED (V)
ILED = Corriente deseada a través del LED (A)
VF - VLED
R = --------------------------------
ILED
Semiconductores
95
Además de los diodos que hemos visto, existen más tipos, los cuales se usan en aplicaciones es-
pecíficas, como: diodo schottky, para aplicaciones de alta velocidad de conmutación; diodo de
capacidad variable (Varicap), que se usa en sintonizadores digitales; Fotodiodo, se utilizan para
captar luz; diodo láser, se utiliza en los lectores de CD y DVD, etcétera.
❘❘❘ OTROS TIPOS DE DIODOS

También existen LEDs bicolor, que consisten en dos
LEDs conectados en paralelo con dirección inversa en
el mismo encapsulado. Así, cuando se aplica voltaje en
sus terminales, encenderá uno de ellos, y si aplicamos
el voltaje en sentido inverso, encenderá el otro.
Figura 31. Apariencia típica de los LEDs.
Éstos son los más comunes aunque
pueden existir en otras formas y tamaños.
Displays de 7 segmentos
Una aplicación típica de los LEDs es la construcción de displays de 7 segmentos
para mostrar números, que consiste en un encapsulado con varios segmentos en los
cuales se pone un LED en cada uno.
Figura 32. Un display de 7 segmentos numérico se utiliza para
representar números mediante el encendido de los LEDs de sus segmentos.
Existen displays de dos tipos: de cátodo común y de ánodo común. Es decir, los
cátodos o ánodos de todos los LEDs están interconectados. Así, sólo debemos lle-
var este pin a tierra o a un voltaje positivo para poder encender los LEDs sin tener
que hacer la conexión para cada uno.
96
La sigla SMD significa Surface Mount Device, y es parte de una tecnología denominada Surface
Mount Technology, la cual se desarrolló para reducir el tamaño de los componentes electróni-
cos y de los circuitos, haciendo posible la construcción de sistemas mucho más pequeños. En
español se conoce como componentes de montaje superficial.
SMD
❘❘❘
a
b
c
d
f
g
e
pd

Figura 33. Interconexión interna de un display de ánodo común y cátodo común.
En el archivo LEDs y displays.dsn que incluimos en www.libros.redusers.com, en-
contraremos un ejemplo de LEDs y un display de 7 segmentos.
Figura 34. Simulación del encendido de LEDs y displays en Proteus.
En la simulación que tenemos en la Figura 34, podemos ver algunos LEDs comu-
nes, bicolor y un display de 7 segmentos. Mediante los interruptores, es posible en-
cender o apagar los diferentes segmentos en el display.
Semiconductores
97
a
b
c
d
e
f
g
Cátodo
común
a
b
c
d
e
f
g
Ánodo
común

Transistores de unión bipolar
Uno de los componentes más importantes en la electrónica moderna es el transis-
tor. Existen dos tipos de transistores según su construcción y su funcionamiento. El
primero es el BJT, que es la sigla en inglés de Bipolar Junction Transistor, que en es-
pañol podemos traducir como transistor de unión bipolar. En estos componen-
tes, tenemos ahora una doble unión de diferentes tipos de semiconductores, lo cual
nos da tres regiones, ya sea dos regiones N y una P, o dos P y una N, así que los
transistores de unión bipolar se conocen como transistores NPN o PNP por la dis-
tribución de las regiones semiconductoras en cada caso. Las terminales de los tran-
sistores del tipo BJT se llaman emisor, base y colector. Independientemente de la
configuración, la base siempre será la región central.
Figura 35. Estructura y símbolos para representar
a los transistores de unión bipolar NPN y PNP
.
Los usos principales de los transistores son como amplificadores de señales o co-
mo dispositivos de conmutación. Para la electrónica digital nos interesará princi-
palmente la configuración como conmutadores o interruptores. Los símbolos para
representar los transistores en un circuito podemos verlos en la Figura 35.
El funcionamiento de estos transistores es parecido al de los diodos, pero ahora te-
nemos tres regiones de semiconductores y dos uniones. La base del transistor es la
98
El primer transistor de la historia fue construido en diciembre de 1947 en los laboratorios Bell
por John Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley, iniciando así una nueva
era de la electrónica. Más tarde, en 1956, recibieron el premio Nobel de Física.
EL PRIMER TRANSISTOR
❘❘❘
Colector
N
P
N
Emisor
Base Base
Colector
P
N
P
Emisor
B
E
B
C C
E

que controla el flujo de la corriente a través del transistor. Aplicando una corriente
en la base, se puede lograr que los electrones puedan pasar a través del transistor, es
decir que la corriente pase desde el colector hasta el emisor. La corriente aplicada
depende de la configuración del transistor. Para el caso de un transistor NPN, de-
beremos aplicar un voltaje positivo a la base. Así, los huecos del material P serán re-
chazados por el potencial positivo, permitiendo polarizar las uniones para que flu-
yan los electrones. En el caso de los PNP, debemos aplicar un voltaje negativo a la
base para polarizar el transistor y permitir también el flujo de los electrones en él.
Así tendremos una corriente de base IB que permitirá trabajar al transistor, ya sea
en la región activa, cuando éste se emplea como amplificador, o en las regiones de
corte y saturación, cuando se lo emplea como interruptor.
Figura 36. Curva característica de los transistores
de unión bipolar que muestra las diferentes regiones de operación.
En el gráfico que representamos en la Figura 36, observamos la curva caracterís-
tica de un transistor bipolar, donde hemos graficado diferentes corrientes de ba-
se IB. Observemos que, cuando el transistor se utiliza como amplificador, se de-
be trabajar en la región activa, es decir, el transistor nunca debe entrar en corte o
saturación ya que esto implicaría una señal distorsionada. El punto de operación
debería estar en una de las líneas casi horizontales. Si utilizamos el transistor co-
mo interruptor, debemos trabajar en las regiones de corte y saturación. En la re-
gión de corte, la corriente de base IB será 0 o muy cercana a 0, lo que bloqueará
el flujo de corriente del colector al emisor, por lo que el voltaje colector-emisor
VCE será máximo, ya que el transistor se comportará casi como un circuito abier-
to. En la región de saturación, el transistor es polarizado mediante una corriente
Semiconductores
99
IB
IB
IB
IB
IB
Región de
saturación
Región activa
Región de corte
IB
IC
IC
VCE
VCE

de base máxima, por lo que la corriente de colector IC será máxima también y el
voltaje colector-emisor será mínimo, muy cercano a 0, ya que el transistor se com-
portará prácticamente como un cortocircuito.
Cada transistor tiene un factor de amplificación definido. Es decir, es el factor por
el cual se va a multiplicar una corriente que es aplicada a la base para dar como re-
sultado una corriente de colector. Este factor se llama ganancia de corriente, se re-
presenta con la letra griega beta (β) y es diferente para cada transistor. El fabrican-
te indica los valores típicos del valor beta para un determinado transistor. El valor
beta, o también llamado Hfe, es igual a:
Es decir, la corriente de colector dividida por la corriente de base, lo que nos da
el factor de amplificación o ganancia de corriente en el transistor. Podemos hacer
circular una corriente determinada en el colector con tan sólo una pequeña co-
rriente aplicada a la base del transistor.
Ejemplo de cálculo
Con lo estudiado hasta ahora, podemos ver un ejemplo del uso de un transistor en
un circuito real. Sabemos que en un transistor de unión bipolar tendremos una am-
plificación de corriente en el colector con respecto a la base. Imaginemos que debe-
mos calcular un circuito de polarización con una fuente de voltaje de 5V que ali-
mentará una carga por la cual pasarán 20mA. Tenemos un transistor 2N3904, que
es del tipo NPN. Supongamos que la carga que alimentaremos es un LED. Prime-
ro, debemos calcular la resistencia de la base, pero antes tendremos que calcular la
corriente que necesitaremos en la base. Esto lo hacemos mediante la fórmula de be-
ta que ya vimos. Ahora sabemos que la corriente que queremos en el colector debe
ser de 20mA, por lo que tomaremos el valor de beta indicado por la hoja de datos
del transistor, que en este caso es mínimo de 100 y máximo de 300, y tomamos un
valor intermedio, en este caso 200:
IC
IB = ---------------
β
IC
β = --------------
IB
100

Con lo cual:
Ésa será la corriente que deberá circular por la resistencia de base RB para que en el
colector tengamos 20mA. Luego, mediante la ley de Ohm, podemos calcular el va-
lor de la resistencia de base RB:
Para el valor VB, debemos tomar en cuenta el valor del voltaje base emisor (VBE)
del transistor que será el voltaje de polarización del transistor, en este caso 0.6V, y
lo restamos al voltaje de la fuente:
Así:
4.4V
RB = ------------------- = 44000Ω = 44kΩ
0.1mA
VB = 5 - 0.6 = 4.4V
VB
RB = ---------------
IB
20mA
IB = -------------------- = 0.1mA
200
Semiconductores
101
Existen muchos libros que hablan de electrónica, pero la mayoría de ellos no se detienen a dar
su definición. Esto resulta una omisión bastante curiosa, ya que es muy importante tener en cla-
ro el concepto de lo que es la electrónica antes de entrar en su estudio.
❴❵ ¿OLVIDO?

Tomaremos el valor comercial más cercano, en este caso 47000Ω ó 47kΩ.
Figura 37. Circuito de ejemplo. El transistor utilizado
es el 2N3904, y la resistencia de base que calculamos es de 47k .
En el Capítulo 4, construiremos el circuito para comprobar los cálculos, además de
hacerlo también con la simulación en Proteus.
Transistores de efecto de campo
Otro tipo de transistores son los de efecto de campo o FET (Field Effect Transis-
tor). Este tipo de transistores son controlados por voltajes, a diferencia de los BJT
que son controlados por corriente, y en esto reside su principal ventaja. El más sen-
cillo de los transistores de efecto de campo es el JFET o Juncion Field Effect Transis-
tor, el cual se basa en una unión de regiones semiconductoras P y N. En un JFET
existe un canal semiconductor de tipo, ya sea N o P, a través del cual pasará la co-
rriente. Este canal está rodeado de otra capa de material del tipo contrario, que es
la que controlará el paso de la corriente mediante campos eléctricos. De ahí el nom-
bre de transistor de efecto de campo.
102
La posibilidad del uso de los transistores de efecto de campo se propuso tan sólo cinco años des-
pués de los BJT, en 1953, pero su fabricación no fue posible hasta mediados de la década de los
60. Por eso, el uso de los FET es relativamente nuevo. En la actualidad, los FET’s son muy im-
portantes, sobre todo para la fabricación de circuitos integrados.
LOS JÓVENES FET’S
❴❵
5V RB
47K
2N3904

Figura 38. Estructura de construcción de un transistor de efecto de campo tipo JFET,
tanto canal N como canal P
. La figura central representa la construcción real.
En la Figura 38, observamos la estructura de un transistor de efecto de campo y el
canal, que es la región entre la fuente (S) y el drenador (D), que puede ser de tipo N
o P. De ahí el nombre que se les da a los FET’s: de canal N o canal P. Rodeando es-
ta región, se encuentra otra del tipo contrario, a la cual se la llama compuerta (G).
Figura 39. Símbolos para representar a los transistores
de efecto de campo en un diagrama.
Tomemos como ejemplo el JFET canal N, ya que es el más común. Si aplicamos
un voltaje negativo a la compuerta, que es del tipo P, la polarización inversa de la
Semiconductores
103
D (Drenador)
N
S (Fuente)
D (Drenador)
P
S (Fuente)
G
(Compuerta)
G
(Compuerta)
P P
D
N N
G
S
Canal N Canal P
D
G
S

unión hace que el canal se estreche debido al crecimiento de la zona de deplexión,
que es aquella donde no hay portadores libres y, por lo tanto, la corriente no pue-
de fluir. A medida que la polarización inversa aumenta, el canal se cierra más, limi-
tando el flujo de corriente en él hasta llegar a bloquearlo completamente. Así, un
FET controlará la corriente mediante campos eléctricos con tan sólo aplicar un vol-
taje de polarización a la compuerta. Cuando se aplica un voltaje lo suficientemen-
te grande para cerrar en forma total el canal, se lo llama punch-off y es diferente en
cada JFET, lo que sería el equivalente al corte en los BJT. Los JFET son buenos pa-
ra manejar señales de altas frecuencias además de señales muy débiles, pero por otra
parte, resultan muy sensibles a los cambios de temperatura.
Figura 40. Estrechamiento del canal en un JFET canal N al incrementarse
las zonas de deplexión por la polarización inversa de la unión.
Otro tipo de transistores de efecto de campo son los MOSFET (el prefijo MOS signi-
fica Metal-Oxid Semiconductor o en español metal-óxido semiconductor). En la cons-
trucción de estos transistores, se coloca una delgada capa de óxido de silicio (SiO2)
104
Los transistores fabricados con la tecnología metal-óxido semiconductor son muy sensibles a la
electricidad estática, ya que una descarga perfora fácilmente la capa de óxido de silicio del tran-
sistor, dejándolo inservible. Por esto, debemos tomar precauciones antiestáticas al manejarlos.
LA TECNOLOGÍA MOS Y LA ESTÁTICA
✱
D
P N P
G
S

entre la región semiconductora y la terminal de la compuerta (de ahí su nombre). Es-
to se hace, ya que el óxido de silicio es aislante, así que las corrientes de compuerta se-
rán casi nulas, lo que permite un menor consumo de potencia en estos transistores.
Figura 41. Estructura de un MOSFET canal N y los símbolos para representar MOSFETS
en un diagrama. Podemos observar la delgada capa de SiO2 entre G y la región N.
Estos transistores pueden ser también de canal N o canal P y, para abreviar, se los
puede llamar NMOS o PMOS.
CIRCUITOS INTEGRADOS
El desarrollo de los transistores, los cuales eran mucho más pequeños, permitió
que éstos reemplazaran los tubos de vacío o válvulas y así se pudieran diseñar y
construir circuitos electrónicos más pequeños y eficientes. Pero después de un
tiempo, los circuitos se volvieron complejos y difíciles de construir al aumentar el
número de componentes en ellos. Así que, a finales de la década de los 50, se de-
sarrolló una técnica que consiste en fabricar un circuito electrónico completo en
un pequeño chip, en el cual se construyen e interconectan muchos elementos al
Circuitos integrados
105
El primer circuito integrado fue construido por el ingeniero Jack Kilby en 1958, poco después de
que comenzara a trabajar para la firma Texas Instruments. Era un dispositivo construido de ger-
manio y sólo contenía seis transistores, los cuales formaban un oscilador. En el año 2000, le fue
otorgado el premio Nobel de Física.
❴❵ EL PRIMER CIRCUITO INTEGRADO
P P
G
D
N
SIO2
S Símbolos
MOSFET
Canal N
MOSFET
Canal P

mismo tiempo. Estos elementos son principalmente transistores y diodos, que se
fabrican mediante técnicas especiales de tal forma que, en un solo chip de mate-
rial semiconductor, puede haber muchos de ellos con sus respectivas conexiones
formando un circuito complejo. De esta manera, se pueden construir circuitos
electrónicos pequeños, baratos, eficientes y de bajo consumo de potencia. Así na-
ció la era de la microelectrónica.
Los circuitos integrados se fabrican actualmente para una infinidad de aplicacio-
nes genéricas y especiales. Normalmente, se abrevian como CI (o IC en inglés), y
se pueden dividir en dos clases:
Analógicos: son circuitos que funcionan con señales analógicas, como amplificado-
res, osciladores, filtros, reguladores de voltaje, etcétera.
Digitales: funcionan con señales digitales y van desde compuertas lógicas hasta los
más complejos microprocesadores.
Un circuito integrado puede contener desde unas decenas hasta varios miles o mi-
llones de componentes internos, lo cual se llama escala de integración. Así po-
demos clasificar a los circuitos integrados según su número de componentes o es-
cala de integración, como vemos en la Tabla 3.
NOMBRE DE LA ESCALA NÚMERO DE COMPONENTES
SSI (Small Scale Integration) Menos de 12
MSI (Medium Scale Integration) 12 a 99
LSI (Large Scale Integration) 100 a 9999
VLSI (Very Large Scale Integration) 10.000 a 99.999
ULSI (Ultra Large Scale Integration) 100.000 a 999.999
GSI (Giga Scale Integration) 1.000.000 en adelante
Tabla 3. Clasificación de los circuitos integrados según su escala
de integración, es decir, el número de componentes que contienen.
Podemos encontrar circuitos integrados en multitud de formas, tamaños y funcio-
nes. Por ejemplo, existen los circuitos integrados desde 3 pines hasta varios cientos
de ellos. Uno de los empaques más comunes es DIP (Dual Inline Package), que es
un circuito integrado con dos líneas de pines en los costados (como vemos en la Fi-
gura 42). La forma de identificar y de numerar sus pines consiste en verificar si tie-
ne una muesca en uno de los extremos, que indica el lado donde está el pin 1. Si
colocamos el circuito integrado con los pines hacia abajo y la muesca del lado iz-
quierdo, el pin 1 será el primero que estará debajo de la muesca. También puede ha-
ber un pequeño punto que marca el pin 1. Una vez localizado el pin 1, debemos
contar alrededor del circuito integrado hasta llegar al último pin.
106

Figura 42. Ilustración de un circuito integrado
del tipo DIP de ocho pines y la forma de contar sus pines.
Los circuitos integrados evolucionan constantemente para mejorar su desempeño,
velocidad, reducir consumo de energía, etcétera. En la actualidad, son parte funda-
mental de la electrónica, ya que no existe prácticamente ningún sistema electróni-
co que no contenga al menos un circuito integrado.
Circuitos integrados
107
… RESUMEN
En este capítulo hemos visto algunos conceptos básicos de lo que es la electrónica y estudia-
mos el funcionamiento de algunos componentes electrónicos importantes, lo que nos servirá
en capítulos posteriores. Aunque la electrónica es un campo muy extenso, y no podemos abar-
car todos los temas aquí, con esto tenemos ya la base para ingresar en la electrónica digital.
1 2 3 4
Vista superior
8 7 6 5

108
✔
TEST DE AUTOEVALUACIÓN
1 ¿Qué es la electrónica?
2 ¿Para que sirve un resistor?
3 ¿Los resistores conectados en paralelo di-
viden la corriente o el voltaje?
4 A la capacidad de almacenar cargas en un
capacitor se la llama ............................. .
5 ¿Los capacitores electrolíticos son polari-
zados o no polarizados?
6 ¿Los semiconductores que se someten a
un proceso de dopado se llaman intrínse-
cos o extrínsecos?
7 ¿La región N de un diodo es el cátodo o el
ánodo?
8 ¿Cuál es la aplicación típica de los diodos?
9 ¿Cuántas regiones semiconductoras hay
en un BJT?
10¿Qué es un circuito integrado?
ACTIVIDADES
ACTIVIDADES PRÁCTICAS
1 Calcule la resistencia equivalente para un
circuito formado por tres resistores de 120
ohms cada uno conectado en paralelo.
2 Calcule la capacitancia equivalente para
un circuito formado por tres capacitores
de 8pF cada uno conectado en paralelo.
3 En el circuito del archivo Capacitores
carga-descarga.dsn, disminuya el valor
del capacitor a 470uF. Observe qué pasa
con el tiempo de carga y descarga.
4 En el circuito del archivo Diodos y rectifi-
cacion.dsn, coloque el diodo del circuito de
abajo en dirección contraria al que se
encuentra y calcule de nuevo el gráfico
Voltaje de salida. Observe qué pasa ahora
con la señal de salida.
5 Calcule el resistor que deberá usar si ali-
menta un led con una fuente de voltaje de
6V, con un voltaje de led de 2V y si la
corriente deseada en el led es de 12mA.

capitulogratis.pdf

Más contenido relacionado

Similar a capitulogratis.pdf (20)

Último (20)

capitulogratis.pdf