Dispositivos y circuitos semiconductores, aplicaciones

El dispositivo semiconductor está formado por un material que no es ni buen conductor ni buen aislante, se llama semiconductor. Estos dispositivos han establecido amplias aplicaciones debido a su fiabilidad, compacidad y bajo coste. Son componentes discretos que se utilizan en dispositivos de potencia, sensores ópticos compactos y emisores de luz, incluidos los láseres de estado sólido. Tienen una amplia gama de capacidades de manejo de corriente y tensión, con valores de corriente superiores a 5.000 amperios y de tensión superiores a 100.000 voltios. Y lo que es más importante, los dispositivos semiconductores se prestan a la integración en circuitos microelectrónicos complejos pero de fácil construcción. Tienen un futuro probable, son los elementos clave de la mayoría de los sistemas electrónicos, incluidas las comunicaciones con equipos de procesamiento de datos, de consumo y de control industrial.


¿Qué son los dispositivos semiconductores?

Los dispositivos semiconductores no son más que componentes electrónicos que aprovechan las propiedades electrónicas de los materiales semiconductores, como el silicio, el germanio y el arseniuro de galio, así como los semiconductores orgánicos. Los dispositivos semiconductores han sustituido a los tubos de vacío en muchas aplicaciones. Utilizan la conducción electrónica en estado sólido, frente a la emisión termoiónica en el alto vacío. Los dispositivos semiconductores se fabrican tanto en dispositivos discretos como en circuitos integrados, que constan de unos pocos a miles de millones de dispositivos fabricados e interconectados en un único sustrato u oblea semiconductora.

Dispositivos semiconductores

Los materiales semiconductores son útiles por su comportamiento, que puede manipularse fácilmente mediante la adición de impurezas, lo que se conoce como dopaje. La conductividad de los semiconductores puede ser controlada por el campo eléctrico o magnético, por la exposición a la luz o al calor, o por la deformación mecánica de una rejilla monocristalina dopada; así, los semiconductores pueden ser excelentes sensores. La conducción de la corriente en un semiconductor se produce libre de electrones y huecos, conocidos colectivamente como portadores de carga. El dopaje del silicio se realiza mediante la adición de una pequeña cantidad de átomos de impureza y, también en el caso del fósforo o el boro, aumenta significativamente el número de electrones o huecos dentro del semiconductor.

Cuando un semiconductor dopado contiene un exceso de agujeros se denomina semiconductor «tipo p» (positivo para los agujeros), y cuando contiene algún exceso de electrones libres, se conoce como semiconductor «tipo n» (negativo para los electrones), es el signo de la carga de los portadores de carga móviles mayoritarios. Las uniones que se forman cuando se unen los semiconductores de tipo n y de tipo p se denominan unión p-n.

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Diodo

Un diodo semiconductor es un dispositivo formado normalmente por una única unión p-n. La unión de un semiconductor de tipo p y otro de tipo n forma una región de agotamiento en la que la conducción de la corriente está reservada por la falta de portadores de carga móviles. Cuando el dispositivo está polarizado hacia delante, esta región de agotamiento se reduce, lo que permite una conducción significativa; cuando el diodo está polarizado hacia atrás, sólo se puede conseguir menos corriente y la región de agotamiento puede ampliarse. La exposición de un semiconductor a la luz puede producir pares de huecos de electrones, lo que aumenta el número de portadores libres y, por tanto, la conductividad. Los diodos optimizados para aprovechar este fenómeno se conocen como fotodiodos. También se utilizan diodos semiconductores compuestos para generar luz, diodos emisores de luz y diodos láser.

Diodo
Diodo

Transistor

Los transistores de unión bipolar están formados por dos uniones p-n, en configuración p-n-p o n-p-n. El centro o base, la región entre las uniones, suele ser muy estrecha. Las otras regiones, y sus terminales correspondientes, se conocen como emisor y colector. Una pequeña corriente inyectada a través de la unión entre la base y el emisor cambia las propiedades de la unión entre la base y el colector, de modo que puede conducir la corriente aunque esté en polarización inversa. Esto crea una corriente mayor entre el colector y el emisor, y la controla la corriente base-emisor.

Transistor
Transistor

Otro tipo de transistor denominado transistor de efecto de campo, funciona según el principio de que la conductividad del semiconductor puede aumentar o disminuir por la presencia de un campo eléctrico. Un campo eléctrico puede aumentar el número de electrones y huecos en un semiconductor, cambiando así su conductividad. El campo eléctrico puede aplicarse mediante una unión p-n con polarización inversa, y forma un transistor de efecto de campo de unión (JFET) o mediante un electrodo aislado del material en bruto por una capa de óxido, y forma un transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico (MOSFET).

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Hoy en día es el más utilizado en el MOSFET, un dispositivo de estado sólido, y los dispositivos semiconductores. El electrodo de la puerta se carga para producir un campo eléctrico que puede controlar la conductividad de un «canal» entre dos terminales, que se llaman fuente y drenaje. Dependiendo del tipo de portador en el canal, el dispositivo puede ser MOSFET de canal n (para electrones) o de canal p (para huecos).

Materiales de los dispositivos semiconductores

El silicio (Si) es el material más utilizado en los dispositivos semiconductores. Tiene un coste de materia prima más bajo y un proceso relativamente sencillo. Su rango de temperatura útil lo convierte actualmente en el mejor compromiso entre los distintos materiales de la competencia. El silicio utilizado en la fabricación de dispositivos semiconductores se fabrica actualmente en cuencos con un diámetro lo suficientemente grande como para permitir la fabricación de obleas de 300 mm (12 pulgadas).

El germanio (Ge) fue un material ampliamente utilizado en los primeros semiconductores, pero su sensibilidad térmica lo hace menos útil que el silicio. Hoy en día, el germanio se suele alear con el silicio (Si) para utilizarlo en dispositivos SiGe de muy alta velocidad; IBM es uno de los principales productores de estos dispositivos.

El arseniuro de galio (GaAs) también se utiliza mucho en los dispositivos de alta velocidad, pero hasta ahora ha sido difícil formar cuencas de gran diámetro de este material, lo que limita el tamaño de los diámetros de las obleas, que son significativamente más pequeños que los del silicio, lo que hace que la producción en masa de dispositivos de arseniuro de galio (GaAs) sea significativamente más cara que la del silicio.

Lista de dispositivos semiconductores comunes

La lista de dispositivos semiconductores comunes incluye principalmente dispositivos de dos terminales, tres terminales y cuatro terminales.

Dispositivos semiconductores comunes
Dispositivos semiconductores comunes

Los dispositivos de dos terminales son

  • Diodo (diodo rectificador)
  • Diodo Gunn
  • Diodo IMPATT
  • Diodo láser
  • Diodo Zener
  • Diodo Schottky
  • Diodo PIN
  • Diodo túnel
  • Diodo emisor de luz (LED)
  • Fototransistor
  • Fotocélula
  • Célula solar
  • Diodo de supresión de tensión transitoria
  • VCSEL

Los dispositivos de tres terminales son

Los dispositivos de cuatro terminales son

  • Fotoacoplador (Optoacoplador)
  • Sensor de efecto Hall (sensor de campo magnético)
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Aplicaciones de los dispositivos semiconductores

Todos los tipos de transistores pueden utilizarse como bloques de construcción de puertas lógicas, lo que resulta útil para el diseño de circuitos digitales. En los circuitos digitales, como los microprocesadores, los transistores actúan como un interruptor (on-off); en el MOSFET, por ejemplo, la tensión aplicada a la puerta determina si el interruptor está encendido o apagado.

Los transistores que se utilizan en los circuitos analógicos no actúan como interruptores (on-off); relativamente, responden a un rango continuo de entrada con un rango continuo de salida. Los circuitos analógicos más comunes son los osciladores y los amplificadores. Los circuitos que interactúan o traducen entre los circuitos analógicos y los digitales se conocen como circuitos de señal mixta.

Ventajas de los dispositivos semiconductores

  • Como los dispositivos semiconductores no tienen filamentos, no se necesita energía para calentarlos y provocar la emisión de electrones.
  • Como no es necesario calentarlos, los dispositivos semiconductores se ponen en funcionamiento en cuanto se enciende el circuito.
  • Durante el funcionamiento, los dispositivos semiconductores no producen ningún ruido de zumbido.
  • Los dispositivos semiconductores requieren un funcionamiento de baja tensión en comparación con los tubos de vacío.
  • Debido a su pequeño tamaño, los circuitos con dispositivos semiconductores son muy compactos.
  • Los dispositivos semiconductores son a prueba de golpes.
  • Los dispositivos semiconductores son más baratos que los tubos de vacío.
  • Los dispositivos semiconductores tienen una vida casi ilimitada.
  • Como en los dispositivos semiconductores no hay que crear vacío, no tienen problemas de deterioro por vacío.

Desventajas de los dispositivos semiconductores

  • El nivel de ruido es mayor en los dispositivos semiconductores que en los tubos de vacío.
  • Los dispositivos semiconductores ordinarios no pueden manejar tanta potencia como los tubos de vacío ordinarios.
  • En el rango de alta frecuencia, tienen una respuesta pobre.

Así pues, se trata de diferentes tipos de dispositivos semiconductores, como los de dos terminales, los de tres terminales y los de cuatro terminales. Esperamos que hayas comprendido mejor este concepto. Además, si tienes alguna duda sobre este concepto o sobre los proyectos de electricidad y electrónica, por favor, danos tu opinión comentando en la sección de comentarios de abajo. Aquí tienes una pregunta, ¿cuáles son las aplicaciones de los dispositivos semiconductores?

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