Electronica de alta frecuencia y microonda

Espectro electromagnético

Se denomina espectro electromagnético a la distribución energética del conjunto de las ondas electromagnéticas. Referido a un objeto se denomina espectro electromagnético o simplemente espectro a la radiación electromagnética que emite (espectro de emisión) o absorbe (espectro de absorción) una sustancia. Dicha radiación sirve para identificar la sustancia de manera análoga a una huella dactilar. Los espectros se pueden observar mediante espectroscopios que, además de permitir observar el espectro, permiten realizar medidas sobre éste, como la longitud de onda, la frecuencia y la intensidad de la radiación.

El espectro electromagnético se extiende desde la radiación de menor longitud de onda, como los rayos gamma y los rayos X, pasando por la luz ultravioleta, la luz visible y los rayos infrarrojos, hasta las ondas electromagnéticas de mayor longitud de onda, como son las ondas de radio. Se cree que el límite para la longitud de onda más pequeña posible es la longitud de Planck mientras que el límite máximo sería el tamaño del Universo

Bandas del espectro electromagnético

Para su estudio, el espectro electromagnético se divide en segmentos o bandas, aunque esta división es inexacta. Existen ondas que tienen una frecuencia, pero varios usos, por lo que algunas frecuencias pueden quedar en ocasiones incluidas en dos rangos.

Radiofrecuencia

En radiocomunicaciones, los rangos se abrevian con sus siglas en inglés. Los rangos son:

• Frecuencias extremadamente bajas: Llamadas ELF (Extremely Low Frequencies), son aquellas que se encuentran en el intervalo de 3 a 30 Hz. Este rango es equivalente a aquellas frecuencias del sonido en la parte más baja (grave) del intervalo de percepción del oído humano. Cabe destacar aquí que el oído humano percibe ondas sonoras, no electromagnéticas, sin embargo se establece la analogía para poder hacer una mejor comparación.

• Frecuencias super bajas: SLF (Super Low Frequencies), son aquellas que se encuentran en el intervalo de 30 a 300 Hz. En este rango se incluyen las ondas electromagnéticas de frecuencia equivalente a los sonidos graves que percibe el oído humano típico.

• Frecuencias ultra bajas: ULF (Ultra Low Frequencies), son aquellas en el intervalo de 300 a 3000 Hz. Este es el intervalo equivalente a la frecuencia sonora normal para la mayor parte de la voz humana.

• Frecuencias muy bajas: VLF, Very Low Frequencies. Se pueden incluir aquí las frecuencias de 3 a 30 KHz. El intervalo de VLF es usado típicamente en comunicaciones gubernamentales y militares.

• Frecuencias bajas: LF, (Low Frequencies), son aquellas en el intervalo de 30 a 300 kHz. Los principales servicios de comunicaciones que trabajan en este rango están la navegación aeronáutica y marina.

• Frecuencias medias: MF, Medium Frequencies, están en el intervalo de 300 a 3000 kHz. Las ondas más importantes en este rango son las de radiodifusión de AM (530 a 1605 kHz).

• Frecuencias altas: HF, High Frequencies, son aquellas contenidas en el rango de 3 a 30 MHz. A estas se les conoce también como "onda corta". Es en este intervalo que se tiene una amplia gama de tipos de radiocomunicaciones como radiodifusión, comunicaciones gubernamentales y militares. Las comunicaciones en banda de radioaficionados y banda civil también ocurren en esta parte del espectro.

• Frecuencias muy altas: VHF, Very High Frequencies, van de 30 a 300 MHz. Es un rango popular usado para muchos servicios, como la radio móvil, comunicaciones marinas y aeronáuticas, transmisión de radio en FM (88 a 108 MHz) y los canales de televisión del 2 al 12 [según norma CCIR (Estándar B+G Europa)]. También hay varias bandas de radioaficionados en este rango.

• Frecuencias ultra altas: UHF, Ultra High Frequencies, abarcan de 300 a 3000 MHz, incluye los canales de televisión de UHF, es decir, del 21 al 69 [según norma CCIR (Estándar B+G Europa)] y se usan también en servicios móviles de comunicación en tierra, en servicios de telefonía celular y en comunicaciones militares.

• Frecuencias super altas: SHF, Super High Frequencies, son aquellas entre 3 y 30 GHz y son ampliamente utilizadas para comunicaciones vía satélite y radioenlaces terrestres. Además, pretenden utilizarse en comunicaciones de alta tasa de transmisión de datos a muy corto alcance mediante UWB. También son utilizadas con fines militares, por ejemplo en radares basados en UWB.

• Frecuencias extremadamente altas: EHF, Extrematedly High Frequencies, se extienden de 30 a 300 GHz. Los equipos usados para transmitir y recibir estas señales son más complejos y costosos, por lo que no están muy difundidos aún.

Existen otras formas de clasificar las ondas de radiofrecuencia.

Microondas

Cabe destacar que las frecuencias entre 1 GHz y 300 GHz, son llamadas microondas. Estas frecuencias abarcan parte del rango de UHF y todo el rango de SHF y EHF. Estas ondas se utilizan en numerosos sistemas, como múltiples dispositivos de transmisión de datos, radares y hornos microondas.

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Lineas Microstrip

El Microstrip es un tipo de línea de transmisión eléctrica que pueden ser fabricados utilizando placa de circuito impreso [PCB], y se utiliza para transmitir señales de microondas .

Consiste en una franja de conducción separada de la franja de masa por una capa de sustrato dieléctrico. Componentes de Microondas ,tales como antenas, acopladores, filtros, divisores, etc pueden formarse a partir de microstrip, haciendo dicho componente como una metalización sobre el sustrato. El Microstrip hasta ahora es más barato que la tecnología tradicional de guía de onda, además de ser mucho más ligero y compacto.

Las desventajas de microstrip en comparación con la guía de onda son : su baja capacidad de manejo de energía y el hecho de tener mayores pérdidas. Además, a diferencia del microstrip; no está cerrada, y por lo tanto es susceptible de captar gran cantidad de ruido

Para abaratar costos, los microstrips pueden ser construidos sobre un sustrato ordinario FR4 (estándar PCB). Sin embargo, se encontró que las pérdidas dielectricas en FR4 son demasiado elevados a nivel de microondas, y que la constante dieléctrica no está suficientemente bien controlada.

las líneas de Microstrip también se utilizan en diseños PCB digitales de alta velocidad, donde las señales deben ser enrutadas de una parte a la otra con la mínima distorsión posible, evitando el ruido y las interferencias de radiación

Permitividad relativa efectiva

La onda electromagnética llevada por un microstrip existe, en parte, en el sustrato dieléctrico, y en parte en el aire sobre él. En general, la constante dieléctrica del sustrato será mayor que la del aire, de modo que la onda viaja en un medio no homogéneos. En consecuencia, la velocidad de propagación se halla en algún punto entre la velocidad de las ondas de radio en el sustrato, y la velocidad de las ondas de radio en el aire. Este comportamiento se describe comúnmente declarando la constante dieléctrica efectiva (o permitividad efectiva relativa ) del microstrip, lo que la constante dieléctrica de un medio homogéneo equivalente (es decir, un resultado de la misma velocidad de propagación).

Impedancia característica

Forma aproximada de la expresión de impedancia característica de un microstrip desarrollado por Wheeler:


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Semiconductores en electronica de alta frecuencia y microondas

Semiconductores para alta Frecuencia (HF)

El surtido de semiconductores en HF abarca una cantidad de componentes desde 100MHz hasta >50GHz. Tanto NJRC como también Sanyo ofrecen una amplia y variada gama de componentes . Están disponibles diodos Pin y varactores, transistores HF para pequeña y gran señal, MESFETs, MMICs, conmutadores y LNAs.

El grupo de los MMICs son en muchos casos la solución ideal como amplificadores, conmutadores, mezcladores , etc. Estos productos HF de alta calidad son utilizables en la zona de 500MHz hasta 5,5GHz, especialmente en aplicaciones sensibles en precio. Endrich ofrece como especialista en HF no solo una amplia gama, sino que también un extenso soporte para su desarrollo.

Propiedades

* 100MHz ... >50GHz
* MMIC: 500MHz ... 5GHz
* MMIC: bajo consumo eléctrico
* De alta calidad
* Económicos
* Técnicamente maduros

Aplicaciones

* DECT y teléfonos móviles
* Navegadores GPS
* LAN inalámbrico
* Radio, RF-ID, mandos a distancia

Diodos de alta frecuencia

Los diodos de alta frecuencia se emplean en aquellas partes de un circuito que deben de funcionar con frecuencias superiores a 1 megahertz (1 millón de ciclos por segundo). Se caracterizan por presentar una baja capacidad de difusión (Cd) entre las dos zonas semiconductoras que forman la unión P-N, cuando éstas están polarizadas en sentido directo.

Microondas

Se denomina microondas a las ondas electromagneticas definidas en un rango de frecuencias determinado; generalmente de entre 300 MHz y 300 GHz, que supone un periodo de oscilacion de 3 ns (3×10^-9 s) a 3 ps (3×10^-12 s) y una longitud de onda en el rango de 1 m a 1 mm. Otras definiciones, por ejemplo las de los estándares IEC 60050 y IEEE 100 sitúan su rango de frecuencias entre 1 GHz y 300 GHz, es decir, longitudes de onda de entre 1 cm a 100 micrometros

El rango de las microondas está incluido en las bandas de radiofrecuencia, concretamente en las UHF (ultra-high frequency, frecuencia ultra alta en español) (0.3 – 3 GHz), SHF (super-high frequency, frecuencia super alta) (3 – 30 GHz) y EHF (extremely high frequency, frecuencia extremadamente alta) (30 – 300 GHz). Otras bandas de radiofrecuencia incluyen ondas de menor frecuencia y mayor longitud de onda que las microondas. Las microondas de mayor frecuencia y menor longitud de onda —en el orden de milímetros— se denominan ondas milimétricas, radiación terahercio o rayos T.

La existencia de ondas electromagnéticas, de las cuales las microondas forman parte del espectro de alta frecuencia, fueron predichas por Maxwell en 1864 a partir de sus famosas Ecuaciones de Maxwell. En 1888, Heinrich Rudolf Hertz fue el primero en demostrar la existencia de ondas electromagnéticas mediante la construcción de un aparato para producir ondas de radio.

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Dispositivos de semiconductor pasivos

Podemos definir los componentes electrónicos pasivos como aquellos que no producen amplificación y que sirven para controlarla electricidad colaborando al mejor funcionamiento de los elementos activos (los cuales son llamados genéricamente semiconductores). Los componentes pasivos están formados por elementos de diversas clases que tendremos que considerar independientemente, ya que son diferentes sus objetivos, construcción y resultados, de modo que vamos a dividirlos en tres grandes grupos:

Resistencia

Podemos definir la resistencia como aquel componente que opone cierta dificultad al paso de la corriente eléctrica. Es decir, ofrece resistencia a dejarse atravesar por la corriente eléctrica en los más variados valores según el tipo de componente, de modo que pueden complir diversas funciones tales como la polarización de carga, limitadores de tensión, etc.

Las resistencias, son los elementos que más abundan el los circuitos electrónicos. Cuando destapemos cualquier caja que contenga semiconductores las veremos con profusión, distinguidas en seguida por aros de vivos colores que las envuelven y que, indican el valor de su resistencia óhmica, de acuerdo con su código.

Clases de Resistencias:

Estableceremos una clasificación de las resistencias de acuerdo con la forma de estar contruidas, y también de acuerdocon los materiales con los se lleva a cabo esta construcción.

a)Resistencias aglomeradas.
b)Resistencias de capa o película.
c)Resistencias Bobinadas.

Las resistencias aglomeradas se componen de una masa homogénea de grafito mezclado con un elemento aglutinante, fuertemente prensado en forma cilíndrica y encapsulada en un manguito de material aislante como el plástico. El valor óhmico de una resistencia de carbón, es decir, su mayor o menor facilidad para dejar pasar la corriente eléctrica depende de las proporciones del grafito y aglutinante empleadas en su fabricaión.

En las resistencias de capa o película, el elemento resistivo es una finísima capa de carbón sobre un cuerpo aislante, de forma también cilíndrica. El cuerpo central es, en algunos casos, un minúsculo tubo de cristal con los terminales de conexión conectados a cada extremo. Una variante de este tipo de resistencias son las llamadas resistencias de película metálica, en las que la capa de carbón ha sido sustituida por una aleación metálica de alta constante resistiva (niquel, cromo u oro-platino) o un óxido metálico como el óxido de estaño.

En las resistencias bobinadas se emplea un hilo conductor que poseauna resistencia específicaespecialmente alta. El hilo conductor se arrolla encima de un cuerpo, generalmente un tubo de cerámica. En cuanto a los extremos del hilo, se fijan generalmente con abrazaderas que a su ves pueden servir como conexiones para el montaje e, incluso, si las abrazaderas son desplazables se pueden obtener valores de resistencia parciales. En muchas ocaciones se hallan también colocadas dentro de un prisma cerámico de sección cuadrada y se sellan con una silicona especial para que se hallen debidamente protegidas.

Valor óhmico y tolerancia de las resistencias

Lo que más nos interesa de las resistencias es, desde, su valor óhmico, es decir, la oposición que ofrece el paso de la corriente eléctrica. Este valor no tiene ninguna relación con el tamaño, sino que los materiales constituyentes de la resistencia. En cuanto al valor óhmico hay que tener en cuenta que éste queda afectado por el calor, el calor se produce siempre que la corriente eléctricapasa a través de una resistencia, y este aumento de la temperatura modifica el valor de las resistencias. Por este motivo, en algunos aparatos de medida hay que esperar hasta que se hayan calentado las resistencias antes de hacer la medición para que cese la variación de resistencia que estos elementos provocan. Téngase en cuenta que, después de cierto tiempo, se establece un estado de equilibrio entre el calor producido y el calor irradiado, con lo que la temperatura no sigue aumentando. De todos modos , el valor asignado a una resistencia es siempre aproximado, y de ahí que deba contarse siempre con una tolerancia, de modo que el valor nominal puede variar dentro de ciertos límites.

Para qué sirven las resistencias

En los circuitos electrónicos, tanto las tensiones como las corrientes es preciso controlarlas para conseguir los efectos deseados. No podemos, por ejemplo, mandar indiscriminadamente corriente a la base de un transistor; por el contrario, estas bases precisan siempre tensiones de polarización para que puedan funcionar dentro de los límitres correctos, lo cual quiere decir que la tensión de base de un transistor debe mantenerse a una tensión constante con respecto el emisor.

Indicación del valor de las resistencias

Nos interesa realmente conocer el valor de cada una de las resistencias que forman parte de un circuito, ya que si alguna vez se ha de cambiar alguna resistencia que la sepamos sustituir por otra del valor adecuado.
El valor de las resistencias va grabado sobre ellas y puede venir indicado por medio de cifras, por anillos de color o bien por puntos de color , grabado todo ello, como decimos, sobre la superficie exterior del componente y de acuerdo con un código que tenemos que conocer. El uso de anillos de color pintados es el sistema más corriente utilizado en electrónica, y es el que vamos a estudiar en esta página.

Condensadores

Los condensadores son dispositivos capaces de almacenar una determinada cantidad de electricidad. Se componen de dos superficies conductoras, llamadas armaduras, puestas frente a frente y aisladas entre sí por un material aislante que es llamado daléctrico. La capacidad de almacenar electricidad es proporcional directamente a la superficie enfrentada; inversamente proporcional a la distancia que separa las armaduras y depende del dieléctrico existente entre ambas. Si el dieléctrico es aire, se dice que la constante dieléctrica es 1. Si entre las armaduras se interpone una placa de papel impregnado, cuya constante dieléctrica es 3,50, se obtendrá un condensador de 3,50 veces más de capacidad que el mismo con dieléctrico de aire.
Su capacidad de almacenar electricidad viene proporcionada por la siguiente propiedad: supongamos, por ejemplo, una batería. En ella sabemos que entre sus bornes existe una diferencia de potencial (d.d.p.) lo cual quiere decir que, en última instancia , la principal función de esta bateria consiste en trasladar los electrones negativos que posee de más en su borne negativo y recogerlos en igual número en su borne positivo. Si, por ejemplo, se conecta cada uno de estos polos a un conductor, los electrones serán expulsados por el conductor superior y absorbidos en el mismo número por el inferior dejando la placa superior cargada negativamente y la inferior positivamente. De esta forma podría decirse que durante una muy breve fracción de segundo se establece una corriente muy pequeña que corre a llenar el interior de cada cable y que cesa porque el circuito no está establecido. Así pues, podemos decir que los conductores almacenan ciertacantidad de electricidad ; y si se logra desconectar estos conductores de los bornes de la bateria, de una manera instantánea , la carga permanecería en los conductores una vez separados de la fuente.
Si en un circuito así concebido aumentamos el grosor o el tamaño de un conductor, aumentará proporcionalmente la capacidad; y si en un punto determinado de un circuito aplicamos una gran superficie, habremos conseguido almacenar aquí mucha mayor cantidad de electrones de los que caben en un delgado conductor. De alguna manera podemos comparar un condensador con un abombamiento que existiera en un circuito por el que pasa agua. Cuando se interrumpe el paso del líquido, en la zona del abombamiento queda aprisionada mucha máscantidad de líquido que en el resto del tubo.
El condensador es, pues, un componente deliberadamente fabricado para tener gran capacidad de almacenamiento de corriente; y esta capacidad depende, como decíamos al principio, de la superficie de las ataduras.

Funcionamiento de un Condensador

Aquí tenemos un ejemplo del funcionamiento de un condensador frente a una corriente alterna. Vemos un generador de corriente alterna que está conectado a un condensador. Debido a la tensión alterna U, el condensador resulta cargado, descargado, vuelto a cargar con polaridad opuesta; una vez más descargado, y así sucesivamente. Con ello circula una corriente cuya variación es senoidal. Pero, la corriente no circula a través del condensador, es decir a través de sudieléctrico que es aislante como hemos dicho, la corriente sólo circula de los bornes del generador a las armaduras del condensador y viceversa, es decir, aunque el circuito realmente no está cerrado el efecto es como si lo estuviera; y siendo éste el efecto, se suele decir que por el circuito circula una corriente eléctrica.
La intensidad de la corriente o, mejor dicho, el valor eficaz de la corriente alterna depende, aparte de la tensión del generador, de lacapacidad del condensador y de la frecuencia de la propia corriente alterna. Cuanto mayor es la capacidad y más elevada la frecuencia, con tanta más violencia se desarrolla el proceso continuo de carga y descarga y, en consecuencia, tanto más intensa será la corriente. A pequeñas capacidades y frecuencias circulará sólo una débil corriente.
En lo que respecta a la corriente continua el comportamiento del condensador es diferente. Aquí dí hay una interpretación práctica de la corriente. Frente a la corriente continua el condensador se comporta como un depósito que solamente se abre cuando la presión de alimentación (tensión) varía. Cuando la tensión continua aumenta, la corriente pasa de + hacia el polo -; cuando se estabiliza no hay paso de corriente, y cuando disminuye la tensión, la corriente circula en sentido inverso. El caso de la corriente alterna resulta diferente porque, como se deduce de lo explicado antes, esta corriente con sus cambios de fase carga y descarga sucesivamente alcondensador.
Dentro de un circuito electrónico los condensadores se utilizan en los circuitos oscilantes uniendo su función a la que ejercen las inductancias (o bobinados) aprovechando sus condiciones de paso de la corriente alterna y bloqueo de la continua.

Bobinas o Inductores

Las bobinas, también llamadas inductancias, son los elementos que varían en su diseño probablemente más que cualquier otro componente de los mencionados en este sitio. En su concepción más elemental, una bobina consiste simplemente con un hilo conductor arrollado sobre un material aislante. Este tipo de diseños da origen a los trasformadores, las bobinas de los relés electromagnéticos, etcetéra, y en general a todos aquellos dispositivos en los que se crea una autoinducción por variación de la corriente en un bobinado que produce líneas magnéticas y afecta a otro bobinado creándose una fuerza electromotriz (f.e.m.) a través de un campo magnético. La autoinducción se suele también llamar inductacia y eso explica el nombre genérico que reciben tambien los bobinados.

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Diodos PIN

Se llama diodo PIN a una estructura de tres capas, siendo la intermedia semiconductor intrínseco, y las externas, una de tipo P y la otra tipo N (estructura P-I-N que da nombre al diodo). Sin embargo, en la práctica, la capa intrínseca se sustituye bien por una capa tipo P de alta resistividad (π) o bien por una capa n de alta resistividad (ν).

El diodo PIN puede ejercer, entre otras cosas, como:

* conmutador de RF
* resistencia variable
* protector de sobretensiones
* fotodetector

Fotodiodo PIN

El fotodiodo PIN es uno de los fotodetectores más comunes, debido a que la capa intrínseca se puede modificar para optimizar su eficiencia cuántica y margen de frecuencia.siendo así un material intrínseco semiconductor
[editar] Conmutador

El diodo PIN se puede utilizar como conmutador de microondas. Tiene capacidad para manejar alta potencia.


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Diodo Schottky

El diodo Schottky o diodo de barrera Schottky, llamado así en honor del físico alemán Walter H. Schottky, es un dispositivo semiconductor que proporciona conmutaciones muy rápidas entre los estados de conducción directa e inversa (menos de 1ns en dispositivos pequeños de 5 mm de diámetro) y muy bajas tensiones umbral (también conocidas como tensiones de codo, aunque en inglés se refieren a ella como "knee", o sea, de rodilla). La tensión de codo es la diferencia de potencial mínima necesaria para que el diodo actúe como conductor en lugar de circuito abierto; esto, claro, dejando de lado la región Zener, que es cuando más bien existe una diferencia de potencial lo suficientemente negativa para que -a pesar de estar polarizado en contra del flujo de corriente- éste opere de igual forma como lo haría regularmente.
Funcionamiento

A frecuencias bajas un diodo normal puede conmutar fácilmente cuando la polarización cambia de directa a inversa, pero a medida que aumenta la frecuencia el tiempo de conmutación puede llegar a ser muy bajo, poniendo en peligro el dispositivo.

El diodo Schottky está constituido por una unión metal-semiconductor (barrera Schottky), en lugar de la unión convencional semiconductor P - semiconductor N utilizada por los diodos normales.

Así se dice que el diodo Schottky es un dispositivo semiconductor "portador mayoritario". Esto significa que, si el cuerpo semiconductor está dopado con impurezas tipo N, solamente los portadores tipo N (electrones móviles) desempeñarán un papel significativo en la operación del diodo y no se realizará la recombinación aleatoria y lenta de portadores tipo N y P que tiene lugar en los diodos rectificadores normales, con lo que la operación del dispositivo será mucho más rápida.

Características

La alta velocidad de conmutación permite rectificar señales de muy altas frecuencias y eliminar excesos de corriente en circuitos de alta intensidad.

A diferencia de los diodos convencionales de silicio, que tienen una tensión umbral —valor de la tensión en directa a partir de la cual el diodo conduce— de 0,7 V, los diodos Schottky tienen una tensión umbral de aproximadamente 0,2 V a 0,4 V empleándose, por ejemplo, como protección de descarga de células solares con baterías de plomo ácido.

La limitación más evidente del diodo de Schottky es la dificultad de conseguir resistencias inversas relativamente elevadas cuando se trabaja con altos voltajes inversos pero el diodo Schottky encuentra una gran variedad de aplicaciones en circuitos de alta velocidad para computadoras donde se necesiten grandes velocidades de conmutación y mediante su poca caída de voltaje en directo permite poco gasto de energía, otra utilización del diodo Schottky es en variadores de alta gama para que la corriente que vuelve desde el motor al variador no pase por el transistor del freno y este no pierda sus facultades.

El diodo Schottky se emplea en varios circuitos integrados de logica TTL. Por ejemplo los tipos ALS y AS permiten que los tiempos de conmutación entre los transistores sean mucho menores puesto que son más superficiales y de menor tamaño por lo que se da una mejora en la relación velocidad/potencia. El tipo ALS permite mayor potencia y menor velocidad que la LS, mientras que las AL presentan el doble de velocidad que las Schottky TTL con la misma potencia.


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Diodo Varactor

El diodo de capacidad variable o Varactor (Varicap) es un tipo de diodo que basa su funcionamiento en el fenómeno que hace que la anchura de la barrera de potencial en una unión PN varíe en función de la tensión inversa aplicada entre sus extremos. Al aumentar dicha tensión, aumenta la anchura de esa barrera, disminuyendo así la capacidad del diodo. De este modo se obtiene un condensador variable controlado por tensión. Los valores de capacidad obtenidos van desde 1 a 500 pF. La tensión inversa mínima tiene que ser de 1 V.

La aplicación de estos diodos se encuentra, sobre todo, en la sintonía de TV, modulación de frecuencia en transmisiones de FM y radio y en los osciladores controlados por voltaje (oscilador controlado por tensión).

En tecnología de microondas se pueden utilizar como limitadores: al aumentar la tensión en el diodo, su capacidad varía, modificando la impedancia que presenta y desadaptando el circuito, de modo que refleja la potencia incidente.

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Semiconductores Activos

Componentes activos

Los componentes activos son aquellos que son capaces de excitar los circuitos o de realizar ganancias o control del mismo. Fundamentalmente son los generadores eléctricos y ciertos componentes semiconductores. Estos últimos, en general, tienen un comportamiento no lineal, esto es, la relación entre la tensión aplicada y la corriente demandada no es lineal.

Los componentes activos semiconductores derivan del diodo de Fleming y del triodo de Lee de Forest. En una primera generación aparecieron las válvulas que permitieron el desarrollo de aparatos electrónicos como la radio o la televisión. Posteriormente, en una segunda generación, aparecerían los semiconductores que más tarde darían paso a los circuitos integrados (tercera generación) cuya máxima expresión se encuentra en los circuitos programables (microprocesador y microcontrolador) que pueden ser considerados como componentes, aunque en realidad sean circuitos que llevan integrados millones de componentes.

En la actualidad existe un número elevado de componentes activos, siendo usual, que un sistema electrónico se diseñe a partir de uno o varios componentes activos cuyas características lo condicionará. Esto no sucede con los componentes pasivos. En la siguiente tabla se muestran los principales componentes activos junto a su función más común dentro de un circuito.



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Transistor Bipolar

El transistor de unión bipolar (del inglés Bipolar Junction Transistor, o sus siglas BJT) es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en dos uniones PN muy cercanas entre sí, que permite controlar el paso de la corriente a través de sus terminales. La denominación de bipolar se debe a que la conducción tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores de dos polaridades (huecos positivos y electrones negativos), y son de gran utilidad en gran número de aplicaciones; pero tienen ciertos inconvenientes, entre ellos su impedancia de entrada bastante baja.

Los transistores bipolares son los transistores más conocidos y se usan generalmente en electrónica analógica aunque también en algunas aplicaciones de electrónica digital, como la tecnología TTL o BICMOS.

Un transistor de unión bipolar está formado por dos Uniones PN en un solo cristal semiconductor, separados por una región muy estrecha. De esta manera quedan formadas tres regiones:

* Emisor, que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada, comportándose como un metal. Su nombre se debe a que esta terminal funciona como emisor de portadores de carga.
* Base, la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector.
* Colector, de extensión mucho mayor.

La técnica de fabricación más común es la deposición epitaxial. En su funcionamiento normal, la unión base-emisor está polarizada en directa, mientras que la base-colector en inversa. Los portadores de carga emitidos por el emisor atraviesan la base, que por ser muy angosta, hay poca recombinación de portadores, y la mayoría pasa al colector. El transistor posee tres estados de operación: estado de corte, estado de saturación y estado de actividad.

Estructura

Un transistor de unión bipolar consiste en tres regiones semiconductoras dopadas: la región del emisor, la región de la base y la región del colector. Estas regiones son, respectivamente, tipo P, tipo N y tipo P en un PNP, y tipo N, tipo P, y tipo N en un transistor NPN. Cada región del semiconductor está conectada a un terminal, denominado emisor (E), base (B) o colector (C), según corresponda.

La base está físicamente localizada entre el emisor y el colector y está compuesta de material semiconductor ligeramente dopado y de alta resistividad. El colector rodea la región del emisor, haciendo casi imposible para los electrones inyectados en la región de la base escapar de ser colectados, lo que hace que el valor resultante de α se acerque mucho hacia la unidad, y por eso, otorgarle al transistor un gran β.

El transistor de unión bipolar, a diferencia de otros transistores, no es usualmente un dispositivo simétrico. Esto significa que intercambiando el colector y el emisor hacen que el transistor deje de funcionar en modo activo y comience a funcionar en modo inverso. Debido a que la estructura interna del transistor está usualmente optimizada para funcionar en modo activo, intercambiar el colector con el emisor hacen que los valores de α y β en modo inverso sean mucho más pequeños que los que se podrían obtener en modo activo; muchas veces el valor de α en modo inverso es menor a 0.5. La falta de simetría es principalmente debido a las tasas de dopaje entre el emisor y el colector. El emisor está altamente dopado, mientras que el colector está ligeramente dopado, permitiendo que pueda ser aplicada una gran tensión de reversa en la unión colector-base antes de que esta colapse. La unión colector-base está polarizada en inversa durante la operación normal. La razón por la cual el emisor está altamente dopado es para aumentar la eficiencia de inyección de portadores del emisor: la tasa de portadores inyectados por el emisor en relación con aquellos inyectados por la base. Para una gran ganancia de corriente, la mayoría de los portadores inyectados en la unión base-emisor deben provenir del emisor.

El bajo desempeño de los transistores bipolares laterales muchas veces utilizados en procesos CMOS es debido a que son diseñados simétricamente, lo que significa que no hay diferencia alguna entre la operación en modo activo y modo inverso.

Pequeños cambios en la tensión aplicada entre los terminales base-emisor genera que la corriente que circula entre el emisor y el colector cambie significativamente. Este efecto puede ser utilizado para amplificar la tensión o corriente de entrada. Los BJT pueden ser pensados como fuentes de corriente controladas por tensión, pero son caracterizados más simplemente como fuentes de corriente controladas por corriente, o por amplificadores de corriente, debido a la baja impedancia de la base.

Los primeros transistores fueron fabricados de germanio, pero la mayoría de los BJT modernos están compuestos de silicio. Actualmente, una pequeña parte de éstos (los transistores bipolares de heterojuntura) están hechos de arseniuro de galio, especialmente utilizados en aplicaciones de alta velocidad.


Funcionamiento

En una configuración normal, la unión emisor-base se polariza en directa y la unión base-colector en inversa. Debido a la agitación térmica los portadores de carga del emisor pueden atravesar la barrera de potencial emisor-base y llegar a la base. A su vez, prácticamente todos los portadores que llegaron son impulsados por el campo eléctrico que existe entre la base y el colector.

Un transistor NPN puede ser considerado como dos diodos con la región del ánodo compartida. En una operación típica, la unión base-emisor está polarizada en directa y la unión base-colector está polarizada en inversa. En un transistor NPN, por ejemplo, cuando una tensión positiva es aplicada en la unión base-emisor, el equilibrio entre los portadores generados térmicamente y el campo eléctrico repelente de la región agotada se desbalancea, permitiendo a los electrones excitados térmicamente inyectarse en la región de la base. Estos electrones "vagan" a través de la base, desde la región de alta concentración cercana al emisor hasta la región de baja concentración cercana al colector. Estos electrones en la base son llamados portadores minoritarios debido a que la base está dopada con material P, los cuales generan "huecos" como portadores mayoritarios en la base.

La región de la base en un transistor debe ser constructivamente delgada, para que los portadores puedan difundirse a través de esta en mucho menos tiempo que la vida útil del portador minoritario del semiconductor, para minimizar el porcentaje de portadores que se recombinan antes de alcanzar la unión base-colector. El espesor de la base debe ser menor al ancho de difusión de los electrones.


Control de tensión, carga y corriente

La corriente colector-emisor puede ser vista como controlada por la corriente base-emisor (control de corriente), o por la tensión base-emisor (control de voltaje). Esto es debido a la relación tensión-corriente de la unión base-emisor, la cual es la curva tensión-corriente exponencial usual de una unión PN (es decir, un diodo).

En el diseño de circuitos analógicos, el control de corriente es utilizado debido a que es aproximadamente lineal. Esto significa que la corriente de colector es aproximadamente β veces la corriente de la base. Algunos circuitos pueden ser diseñados asumiendo que la tensión base-emisor es aproximadamente constante, y que la corriente de colector es β veces la corriente de la base. No obstante, para diseñar circuitos utilizando BJT con precisión y confiabilidad, se requiere el uso de modelos matemáticos del transistor como el modelo Ebers-Moll.

El Alfa y Beta del transistor

Una forma de medir la eficiencia del BJT es a través de la proporción de electrones capaces de cruzar la base y alcanzar el colector. El alto dopaje de la región del emisor y el bajo dopaje de la región de la base pueden causar que muchos más electrones sean inyectados desde el emisor hacia la base que huecos desde la base hacia el emisor. La ganancia de corriente emisor común está representada por βF o por hfe. Esto es aproximadamente la tasa de corriente continua de colector a la corriente continua de la base en la región activa directa y es típicamente mayor a 100. Otro parámetro importante es la ganancia de corriente base común, αF. La ganancia de corriente base común es aproximadamente la ganancia de corriente desde emisor a colector en la región activa directa. Esta tasa usualmente tiene un valor cercano a la unidad; que oscila entre 0.98 y 0.998. El Alfa y Beta están más precisamente determinados por las siguientes relaciones (para un transistor NPN)

Tipos de transistores
NPN

NPN es uno de los dos tipos de transistores bipolares, en los cuales las letras "N" y "P" se refieren a los portadores de carga mayoritarios dentro de las diferentes regiones del transistor. La mayoría de los transistores bipolares usados hoy en día son NPN, debido a que la movilidad del electrón es mayor que la movilidad de los "huecos" en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes y velocidades de operación.

Los transistores NPN consisten en una capa de material semiconductor dopado P (la "base") entre dos capas de material dopado N. Una pequeña corriente ingresando a la base en configuración emisor-común es amplificada en la salida del colector.

La flecha en el símbolo del transistor NPN está en la terminal del emisor y apunta en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo.

PNP

El otro tipo de transistor de unión bipolar es el PNP con las letras "P" y "N" refiriéndose a las cargas mayoritarias dentro de las diferentes regiones del transistor. Pocos transistores usados hoy en día son PNP, debido a que el NPN brinda mucho mejor desempeño en la mayoría de las circunstancias.
El símbolo de un transistor PNP.

Los transistores PNP consisten en una capa de material semiconductor dopado N entre dos capas de material dopado P. Los transistores PNP son comúnmente operados con el colector a masa y el emisor conectado al terminal positivo de la fuente de alimentación a través de una carga eléctrica externa. Una pequeña corriente circulando desde la base permite que una corriente mucho mayor circule desde el emisor hacia el colector.

La flecha en el transistor PNP está en el terminal del emisor y apunta en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo


Transistor Bipolar de Heterounión

El transistor bipolar de heterounión (TBH) es una mejora del BJT que puede manejar señales de muy altas frecuencias, de hasta varios cientos de GHz. Es un dispositivo muy común hoy en día en circuitos ultrarrápidos, generalmente en sistemas de radiofrecuencia.

Los transistores de heterojuntura tienen diferentes semiconductores para los elementos del transistor. Usualmente el emisor está compuesto por una banda de material más larga que la base. Esto ayuda a reducir la inyección de portadores minoritarios desde la base cuando la unión emisor-base está polarizada en directa y esto aumenta la eficiencia de la inyección del emisor. La inyección de portadores mejorada en la base permite que esta pueda tener un mayor nivel de dopaje, lo que resulta en una menor resistencia. Con un transistor de unión convencional, también conocido como transistor bipolar de homojuntura, la eficiencia de la inyección de portadores desde el emisor hacia la base está principalmente determinada por el nivel de dopaje entre el emisor y la base. Debido a que la base debe estar ligeramente dopada para permitir una alta eficiencia de inyección de portadores, su resistencia es relativamente alta.

Regiones operativas del transistor

Los transistores de unión bipolar tienen diferentes regiones operativas, definidas principalmente por la forma en que son polarizados:

* Región activa:

Cuando un transistor no está ni en su región de saturación ni en la región de corte entonces está en una región intermedia, la región activa. En esta región la corriente de colector (Ic) depende principalmente de la corriente de base (Ib), de β (ganancia de corriente, es un dato del fabricante) y de las resistencias que se encuentren conectadas en el colector y emisor. Esta región es la más importante si lo que se desea es utilizar el transistor como un amplificador de señal.

* Región inversa:

Al invertir las condiciones de polaridad del funcionamiento en modo activo, el transistor bipolar entra en funcionamiento en modo inverso. En este modo, las regiones del colector y emisor intercambian roles. Debido a que la mayoría de los BJT son diseñados para maximizar la ganancia de corriente en modo activo, el parámetro beta en modo inverso es drásticamente menor al presente en modo activo.

* Región de corte: Un transistor está en corte cuando:

corrientedecolector = corrientedeemisor = 0,(Ic = Ie = 0)

En este caso el voltaje entre el colector y el emisor del transistor es el voltaje de alimentación del circuito. (como no hay corriente circulando, no hay caída de voltaje, ver Ley de Ohm). Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base = 0 (Ib =0)

* Región de saturación: Un transistor está saturado cuando:

corrientedecolector = corrientedeemisor = corrientemaxima,(Ic = Ie = Imaxima)

En este caso la magnitud de la corriente depende del voltaje de alimentación del circuito y de las resistencias conectadas en el colector o el emisor o en ambos, ver ley de Ohm. Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base es lo suficientemente grande como para inducir una corriente de colector β veces más grande.


Yillmar Molina 16.122.957
CRF Seccion 1.