Semiconductores y Amplificadores Operacionales: Conceptos Clave

1. Dopaje de Semiconductores Intrínsecos con Impurezas Aceptadoras

Cuando se dopa un semiconductor intrínseco (del grupo IV, como el germanio o el silicio) con impurezas aceptadoras, se introducen huecos como portadores mayoritarios. Estas impurezas suelen ser trivalentes, como el aluminio, el boro o el indio. Al tener un electrón de valencia menos que el semiconductor, se crea un déficit de electrones, generando huecos. En la red cristalina, aparecen iones negativos (aceptadores) debido a que estos átomos aceptan un electrón para completar su octeto.

2. Ley de Neutralidad de Cargas en Semiconductores Dopados

La ley de neutralidad de cargas establece que, en un semiconductor dopado, la suma de las cargas positivas (huecos y donadores ionizados) debe ser igual a la suma de las cargas negativas (electrones y aceptadores ionizados). En un semiconductor en equilibrio térmico, no hay un movimiento neto de portadores de carga. El arrastre debido al campo eléctrico interno se equilibra con la difusión debida al gradiente de concentración. Esto da lugar a tres zonas en el semiconductor: dos zonas neutras en los extremos (semiconductores homogéneos) y una zona de transición (bipolar) en la unión, donde solo hay iones fijos y no hay portadores de carga libres.

3. Cálculo del Potencial de Contacto en una Unión PN

El potencial de contacto (V₀) en una unión PN es la diferencia de potencial entre las zonas neutras de la estructura. Se puede calcular a partir de las concentraciones de portadores en cada zona:

V₀ = V_T * ln(N_A * N_D / n_i²)

Donde:

• V_T es el voltaje térmico.
• N_A es la concentración de aceptadores en la zona P.
• N_D es la concentración de donadores en la zona N.
• n_i es la concentración intrínseca de portadores.

La zona N siempre estará a un potencial mayor que la zona P. El potencial de contacto está relacionado con la anchura de la zona de transición.

4. Efecto Early

El efecto Early describe cómo un aumento en la tensión colector-base (V_CB) afecta a la anchura efectiva de la base (W_b) en un transistor bipolar. Un incremento de V_CB aumenta la polarización inversa de la unión colector-base, lo que a su vez incrementa la anchura de la zona de transición. Esto tiene las siguientes consecuencias:

• Disminuye la recombinación en la base, aumentando la ganancia de corriente (α).
• Aumenta el gradiente de concentración de portadores minoritarios cerca de la base, incrementando la corriente de emisor (I_E).
• Si V_CB es muy alta, puede anularse W_b, provocando la ruptura del transistor (perforación de la base).

5. Curva Característica de un Amplificador Operacional Real

En un amplificador operacional (AO) real, la curva característica muestra desviaciones respecto al comportamiento ideal:

• Tensión de Offset: Para una tensión de entrada nula, la tensión de salida no es cero. La tensión de offset es la tensión que debe aplicarse a la entrada para que la salida sea cero.
• Ganancia en Lazo Abierto Finita: La ganancia en lazo abierto (-A_v) no es infinita, sino que tiene un valor finito.
• Excursión de Salida Limitada: La excursión máxima de la señal de salida no es ±V_cc, sino algo inferior debido a la tensión de saturación de los transistores de salida.
• Impedancia de Entrada Finita: La impedancia de entrada no es infinita, típicamente entre 100 kΩ y 10⁶ MΩ.
• Resistencia de Salida No Nula: La resistencia de salida, que idealmente es cero, tiene valores entre 6 Ω y 100 Ω.

6. Ecuaciones de Densidad de Corriente en Semiconductores Extrínsecos

En un semiconductor extrínseco, la densidad de corriente total de huecos y electrones se puede calcular usando la ley de acción de masas y la ley de neutralidad eléctrica:

• Ley de Acción de Masas: n * p = n_i²
• Ley de Neutralidad Eléctrica: N_d⁺ + p = N_a^- + n

Donde:

• n es la concentración de electrones.
• p es la concentración de huecos.
• n_i es la concentración intrínseca de portadores.
• N_d⁺ es la concentración de donadores ionizados.
• N_a^- es la concentración de aceptadores ionizados.

7. Efecto de la Impedancia de Entrada No Nula en un Amplificador Operacional

En un AO real, una impedancia de entrada (Z_e) no nula provoca que exista una corriente de entrada. Esta corriente, multiplicada por la impedancia, genera una caída de tensión en la entrada, haciendo que la tensión en los terminales de entrada (V_i) sea distinta de cero. Esto afecta a la ganancia del amplificador, que ya no será infinita.

8. Semiconductores Extrínsecos

Los semiconductores extrínsecos son aquellos que han sido dopados con impurezas para modificar sus propiedades eléctricas. Las impurezas pueden ser donadoras (aportan electrones) o aceptadoras (aportan huecos). A temperatura ambiente, la mayoría de los átomos de impureza están ionizados.

• Semiconductor tipo N: Predominan los electrones como portadores mayoritarios. La corriente es principalmente debida a los electrones.
• Semiconductor tipo P: Predominan los huecos como portadores mayoritarios. La corriente es principalmente debida a los huecos.

En los semiconductores extrínsecos, existen dos tipos de corrientes: corriente de conducción (debida al campo eléctrico) y corriente de difusión (debida al gradiente de concentración).

9. Diodo Zener

El diodo Zener está diseñado para operar en la zona de ruptura en polarización inversa. La ruptura limita la polarización inversa y se caracteriza por un aumento abrupto de la corriente. Las causas de la ruptura pueden ser:

• Inestabilidad Térmica: Destrucción del diodo por acumulación de calor.
• Multiplicación por Avalancha: Ocurre en zonas poco dopadas, donde los portadores acelerados por el campo eléctrico generan pares electrón-hueco adicionales.
• Efecto Túnel o Zener: Ocurre en zonas muy dopadas, donde los electrones pueden atravesar la barrera de potencial sin tener suficiente energía para romper enlaces.

El diodo Zener se utiliza como estabilizador de tensión.

10. Rectificación de Onda Completa

La rectificación de onda completa transfiere energía de la entrada a la salida durante todo el ciclo de la señal de entrada, proporcionando una mayor corriente promedio que la rectificación de media onda. Se suele utilizar un transformador con derivación central para obtener polaridades positivas y negativas. Cuando la tensión de entrada es positiva, conducen dos diodos y los otros dos están en corte. Cuando la tensión es negativa, se invierte la situación.

11. Circuitos Recortadores

Los circuitos recortadores eliminan una parte de la forma de onda que está por encima o por debajo de un nivel de referencia. Los recortadores polarizados en paralelo realizan recortes positivos y negativos simultáneamente, utilizando dos diodos y dos fuentes de tensión en oposición. Los recortadores polarizados en serie, utilizando diodos ideales, tienen una salida de cero voltios cuando el diodo conduce y una salida distinta de cero cuando el diodo está en corte.

12. Corriente de Difusión en Transistores

En un transistor en circuito abierto, sin polarización, todas las corrientes son nulas. Si las uniones son simétricas, las alturas de las barreras de potencial serán iguales para la unión emisor (J_e) y la unión colector (J_c).

13. Circuitos Rectificadores

La rectificación convierte una señal alterna (CA) en una señal unidireccional (CC). Se clasifica en rectificación de media onda y de onda completa.

• Rectificación de Media Onda: Utiliza un solo diodo para permitir el paso de la corriente en una sola dirección. Cuando la tensión de entrada es positiva, el diodo conduce; cuando es negativa, el diodo está en corte (suponiendo un diodo ideal).
• Rectificación de Onda Completa: Utiliza un puente de diodos o un transformador con derivación central para rectificar ambas mitades del ciclo de la señal de entrada. Proporciona una mayor corriente promedio que la rectificación de media onda.

14. Diferencias entre Amplificador Operacional Ideal y Real

Las principales diferencias entre un AO ideal y uno real son:

• Ganancia: Idealmente infinita, en la práctica finita (-A_v).
• Margen Dinámico: Idealmente ±V_cc, en la práctica menor.
• Impedancia de Entrada: Idealmente infinita, en la práctica finita (Z_e ≠ ∞).
• Resistencia de Entrada: Idealmente infinita, en la práctica finita.
• Resistencia de Salida: Idealmente nula, en la práctica no nula (R_o ≠ 0, entre 6 Ω y 100 Ω).

15. MOSFET de Enriquecimiento

El MOSFET (Transistor de Efecto de Campo Metal-Óxido-Semiconductor) es un transistor de efecto de campo que tiene una capa aislante de dióxido de silicio (SiO₂) entre la puerta y el canal. Se construye sobre un sustrato de tipo P de alta resistividad, sobre el que se difunden dos zonas de tipo N altamente dopadas. El electrodo de puerta, junto con la capa de SiO₂ y el canal semiconductor, forman un condensador.