Sensores Basados en Semiconductores..

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TEXTIL

CIRCUITOS E INSTALACIONES ELÉCTRICAS EE-102 A

SENSORES BASADOS EN SEMICONDUCTORES SEMICONDUCTORES GRUPO

:

10 A

CICLO

:

2015 - 1

ALUMNOS

:

 ASENJO CUENCA BORIS BEGAZO TICONA ANDREY HEREDIA ARANGO JORDAN

PAREDES YUCRA DAVID PROFESOR : JORGE COSCO GRIMANEY

LIMA – PERÚ 2015

INDICE 1. Objetivos…………………………………………………………...…….1 2. Conceptos generales…………………………………………………..1 3. Sensores de posición……………………………………………...…..7 3.1. Potenciómetro Angular……………………………………….…7 3.2. Sincros y Resolvers……………………………………………..7 3.3. Inductosyn…………………………………………………………9 3.4. Sensores ultrasónicos…………………………………….…….9 3.5. Sensores magnetoestrictivos…………………………..…….10 4. Sensores de temperatura ……………………………………………12 4.1. Aplicaciones generales………………………………………..12 4.2. Diodo semiconductor…………………………………….……12 4.2.1. Diodos de “Unión semiconductor semiconductor”………………………………………….… ..13 4.2.2. Diodos de “Barrera Schotty MetalSemiconductor…………………………………………...… ..13 4.2.3. Funcionamiento del diodo semiconductor real…………………………………………………………..….16 4.2.4. Corriente inversa de saturación……………………..……18 4.2.5. Voltaje umbral………………………………….…………….19

4.2.6. Curva característica corriente vs voltaje del diodo

semiconductor……………………………………………….20

4.2.7. Medición de E G usando diodos

semiconductores…………………………………………… .22 4.3. Transistor de temperatura…………………………….………22 4.3.1. Tipos de transistor……………………………………..……23 4.3.2. Tipo NPN…………………………………………………...….23 4.3.3. Tipo PNP……………………………………………..………..24

5. Sensores de luz…………………………………………………….….25 5.1. Fotorresistencias…………………………………...………….. 25 5.1.1. Principales características…………………………………26 5.1.2. Ventajas………………………………………………………..27 5.1.3. Aplicaciones…………………………………………...……..27 5.2. Fotodiodo……………………………………………………..….27

5.2.1. Principio de funcionamiento…………………..………… ..28 5.2.2. Composición…………………………………………..……..28 5.2.3. Usos y aplicaciones…………………………………………29 5.3. Fototransistor…………………………………………..……… .29 5.3.1. Principio de funcionamiento……………… ...…………….30 5.3.2. Características……………………………………….……… 30 5.3.3. Usos y aplicaciones…………………………………..……..31 5.4. Fotovoltaicos…………………………………………………….31 5.5. Incidencia de fotones…………………………………………..31 5.5.1. Usos y aplicaciones……………………..…………………..32 5.6. Sensor ccd…………………………………………...…………..32 5.6.1. Fabricación……………………………………….…………..33 5.6.2. Usos y aplicaciones…………………………………………33 5.7. Sensor cmos…………………………………………………….33 5.7.1. Diferencia con el sensor ccd…………………………..…..34 5.7.2. Ventajas………………………………………………….…….34 5.7.3. Desventajas………………………………………….………..34 5.7.4. Usos y aplicaciones…………………………………………34 6. Conclusiones generales……………………………………………..35

SENSORES BASADOS EN SEMICONDUCTORES Objetivos: 

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Conocer los distintos tipos de sensores basados en semiconductores semiconductor es y sus aplicaciones. Reconocer la importancia que tienen los sensores basados en semiconductores , en los distintos sistemas automáticos usados en las industrias. Conocer los principios y funcionamientos funcionamient os básicos que rigen a los sensores basados en semiconductores.

Introducción Un sensor es un aparato capaz de transformar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, en magnitudes eléctricas. Las variables de instrumentación dependen del tipo de sensor y pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, pH, etc. Una magnitud eléctrica obtenida puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como un fototransistor), etc. Puede decirse también que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo. Como por ejemplo el termómetro de mercurio que aprovecha la propiedad que posee el mercurio de dilatarse o contraerse por la acción de la temperatura. Un sensor también puede decirse que es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra. Áreas de aplicación de los sensores: Industria automotriz, Industria aeroespacial, Medicina, Industria de manufactura, Robótica, etc. Los sensores pueden estar conectados a un computador para obtener ventajas como son el acceso a una base de datos, la toma de valores desde el sensor, etc. Los sensores, por supuesto, no están limitados a la medición de cantidades físicas. También son utilizados para medir propiedades químicas y biológicas. Similarmente, el rango de respuestas útiles no tiene que estar restringidas a cantidades eléctricas. Se han clasificado los sensores en grupos donde la excitación (señal de entrada) y la respuesta del sensor (salida) puede ser una de las siguientes:    

Mecánica: longitud, Mecánica: longitud, área, volumen, flujo de masa, fuerza, torque, presión, velocidad, aceleración, posición, longitud de onda acústica, intensidad acústica. Térmica: temperatura, Térmica: temperatura, calor, entropía, flujo de calor. Eléctrica :tensión, Eléctrica :tensión, corriente, carga, resistencia, inductancia, capacitancia, constante dieléctrica, polarización, campo eléctrico, frecuencia, momento dipolar. Magnética: Magnética: intensidad de campo, densidad de flujo, momento magnético, permeabilidad.

 

Radiante: Radiante: intensidad, longitud de onda, polarización, fase, reflectancia, transmitancia, índice de refracción. Química: Química: composición, concentración, oxidación/reducción, tasa de reacción, pH.

Características de los sensores Entre las características técnicas de un sensor destacan las siguientes:   

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Rango de medida: medida : dominio en la magnitud medida en el que puede aplicarse el sensor. Precisión: es Precisión: es el error de medida máximo esperado. Offset o desviación de cero: valor cero: valor de la variable de salida cuando la variable de entrada es nula. Si el rango de medida no llega a valores nulos de la variable de entrada, habitualmente se establece otro punto de referencia para definir el offset. Sensibilidad de un sensor: relación sensor:  relación entre la variación de la magnitud de salida y la variación de la magnitud de entrada. Resolución: mínima Resolución: mínima variación de la magnitud de entrada que puede apreciarse a la salida. Rapidez de respuesta: puede respuesta: puede ser un tiempo fijo o depender de cuánto varíe la magnitud a medir. Depende de la capacidad del sistema para seguir las variaciones de la magnitud de entrada. Derivas: son otras magnitudes, aparte de la medida como magnitud de entrada, que influyen en la variable de salida. Por ejemplo, pueden ser condiciones ambientales, como la humedad, la temperatura u otras como el envejecimiento (oxidación, desgaste, etc.) del sensor. Repetitividad: error Repetitividad: error esperado al repetir varias veces la misma medida.

¿Qué son los semiconductores? Un semiconductor no es un material que "está entre los aislantes y los conductores". Si bien es cierto que el valor de la conductividad eléctrica de un dado semiconductor está entre el valor de la conductividad de un aislante y el valor de la conductividad de un conductor, no se puede decir que sea un "material intermedio". Un aislante no permite el paso de corriente eléctrica, mientras mientr as que un conductor (como el aluminio o el cobre) permite el flujo de cargas eléctricas con facilidad. Los materiales semiconductores de un transistor también permiten el flujo de corriente eléctrica, pero las condiciones, el mecanismo y las características de conducción son muy diferentes; un semiconductor es otro tipo de material que permite otra forma de conducción eléctrica. Puede decirse que un semiconductor es un material formado a partir de un material puro que intrínsecamente no tiene portadores de carga libres, pero que está "dopado" con cierta cantidad de cierto tipo de impurezas, que lo convierten en un material capaz de conducir corriente eléctrica de un modo particular.

Tipos de Semiconductores Semiconductores intrínsecos

Un material semiconductor hecho sólo de un único tipo de átomo, se denomina semiconductor intrínseco. Los más empleados históricamente son el germanio (Ge) y el silicio (Si); siendo éste último el más empleado (por ser mucho más abundante y poder trabajar a temperaturas mayores que el germanio). Cada átomo de un semiconductor tiene 4 electrones en su órbita externa (electrones de valencia), que comparte con los átomos adyacentes formando 4 enlaces covalentes. De esta manera cada átomo posee 8 electrones en su capa más externa., formando una red cristalina, en la que la unión entre los electrones y sus átomos es muy fuerte. Por consiguiente, en dicha red, los electrones no se desplazan fácilmente, y el material en circunstancias normales se comporta como un aislante.

Fig. 1 Semiconductor 1 Semiconductor intrínseco de Silicio

Sin embargo, al aumentar la temperatura, los electrones ganan energía, por lo que algunos pueden separarse del enlace e intervenir en la conducción eléctrica. De esta manera, la resistividad de un semiconductor disminuye con la temperatura (su conductividad aumenta). A temperatura ambiente, algunos electrones de valencia absorben suficiente energía calorífica para librarse del enlace covalente y moverse a través de la red cristalina, convirtiéndose en electrones libres. Si a estos electrones, se les somete al potencial eléctrico, como por ejemplo de una pila, se dirigen al polo positivo. Cuando un electrón libre abandona el átomo de un cristal de silicio, deja en la red cristalina un hueco, cuyo efecto es similar al que provocaría una carga positiva. Los electrones y los huecos reciben el nombre de portadores. La conducción eléctrica a través de un semiconductor es el resultado del movimiento de electrones (de carga negativa) y de los huecos (cargas positivas) en direcciones opuestas al conectarse a un generador. Si se somete el cristal a una diferencia de potencial se producen dos corrientes eléctricas: una debida al movimiento de los electrones libres de la estructura cristalina, y otra debida al desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que tenderán a saltar a los huecos próximos, originando una corriente de huecos. Los electrones libres se dirigen hacia el polo positivo de la pila (cátodo), mientras que los huecos pueden considerarse como portadores de carga positiva y se dirigen hacia el polo negativo de la pila, llamado ánodo (hay que considerar que por el conductor exterior sólo circulan los electrones que dan lugar a la corriente eléctrica; los huecos sólo existen en el seno del cristal semiconductor).

Semiconductores Semiconductores extrínsecos

Para mejorar las propiedades de los semiconductores, se les somete a un proceso de impurificación (llamado dopaje), consistente en introducir átomos de otros elementos con el fin de aumentar su conductividad. El semiconductor obtenido se denominará semiconductor extrínseco. Según la impureza (llamada dopante) distinguimos: Semiconductor tipo P: Se emplean elementos trivalentes

(3 electrones de valencia) como el Boro (B), Indio (In) o Galio (Ga) como dopantes. Puesto que no aportan los 4 electrones necesarios para establecer los 4 enlaces covalentes, en la red cristalina éstos átomos presentarán un defecto de electrones (para formar los 4 enlaces covalentes). De esa manera se originan huecos que aceptan el paso de electrones que no pertenecen a la red cristalina. Así, al material tipo P también se le denomina donador de huecos (o aceptador de electrones). Fig. 2 Semiconductor 2 Semiconductor tipo P

Semiconductor tipo N:  Se emplean como impurezas elementos pentavalentes (con 5 electrones de valencia) como el Fósforo (P), el Ar sénico (As) o el Antimonio (Sb). El donante aporta electrones en exceso, los cuales al no encontrarse enlazados, se moverán fácilmente por la red cristalina aumentando su conductividad. De ese modo, el material tipo N se denomina también donador de electrones.

Fig. 3 Semiconductor 3 Semiconductor tipo N

Unión PN Cuando a un material semiconductor se le introducen impurezas de tipo P por un lado e impurezas tipo N por otro, se forma una unión PN. Los electrones libres de la región N más próximos a la región P se difunden en ésta, produciéndose la recombinación con los huecos más próximos de dicha región. En la región N se crean iones positivos y en la región P se crean iones negativos. Por el hecho de formar

parte de una red cristalina, los iones mencionados están interaccionados entre sí y, por tanto, no son libres para recombinarse. Por todo lo anterior, resulta una carga espacial positiva en la región N y otra negativa en la región P, ambas junto a la unión. Esta distribución de cargas en la unión establece una «barrera de potencial» que repele los huecos de la región P y los electrones de la región N alejándolos de la mencionada unión. Una unión PN no conectada a un circuito exterior queda bloqueada y en equilibrio electrónico a temperatura constante.

Fig. 4 Unión 4 Unión P-N

Unión PN polarizada en directo Si se polariza la unión PN en sentido directo, es decir, el polo positivo de la pila a la región P y el polo negativo a la región N, la tensión U de la pila contrarresta la «barrera de potencial» creada por la distribución espacial de cargas en la unión, desbloqueándola, y apareciendo una circulación de electrones de la región N a la región P y una circulación de huecos en sentido contrario. Tenemos así una corriente eléctrica de valor elevado, puesto que la unión PN se hace conductora, presentando una resistencia eléctrica muy pequeña. El flujo de electrones se mantiene gracias a la pila que los traslada por el circuito exterior circulando con el sentido eléctrico real, que es contrario al convencional establecido para la corriente eléctrica.

Unión PN polarizada en inverso Si se polariza la unión PN en sentido inverso, es decir, el polo positivo de la pila a la región N y el polo negativo a la región P, la tensión U de la pila ensancha la «barrera de potencial» creada por la distribución espacial de cargas en la unión, produciendo un aumento de iones negativos en la región P y de iones positivos en la región N, impidiendo la circulación de electrones y huecos a través de la unión. La unión PN se comporta de una forma asimétrica respecto de la conducción eléctrica; dependiendo del sentido de la conexión, se comporta corno un buen conductor (polarizada en directo) o como un aislante (polarizada en inverso).

Fig. 5 Polarización

directa:

Se produce cuando se conecta el polo positivo de una batería a la parte P de la unión P - N y el negativo a la N.

Fig. 6 Polarización

inversa:

En este caso, el polo negativo de la batería se conecta a la zona P y el polo positivo a la zona N.

Los semiconductores tipo-n y tipo-p sirven para construir una infinidad de dispositivos electrónicos (limitados casi únicamente por la imaginación), aprovechando propiedades que tienen las diferentes formas de unión, tipos de gradiente y de concentración de impurezas, y de proximidad entre capas tipo-n y tipo-p. Según la función específica, los dispositivos semiconductores pueden clasificarse como sigue: 1) Rectificadores, Amplificadores y Conmutadores (como los diodos, transistores bipolares y FETs, tiristores y triacs) 2) Termosensibles (como los NTC y PTC RTD’s y los pigmentos termocrómicos)

3) Magnetosensibles (como los elementos Hall para sondas de campo magnético) 4) Termoeléctricos (como los módulos Peltier) Los dispositivos fotónicos: 5) Electroluminiscentes (como los LEDs y los diodos laser) 6) Fotoconductores y Fotodiodos (como los LDR’s, fotodiodos y fototransistores)

7) Fotovoltaicos (como las celdas y paneles solares)

Sensores de posición basados en semiconductores: Los sensores son dispositivos que emiten señales al medir una variable física, en este caso la posición. Estos sensores pueden ser de dos tipos, sensores de posición lineal y sensores de posición angular, unas de las más usadas en la industria son las siguientes: Potenciómetro Angular   Encoders  Sensores Inductosyn  Sensores Láser  Sensores ultrasónicos magnetoestricti vos  Sensores magnetoestrictivos De todos estos solo algunos se basan en materiales semiconductores. 

 Ahora mencionaremo mencionaremoss algunos sensores basados basados en semiconductores semiconductores usados en en la industria: industria:

1. Potenciómetro angular: Es un transductor de posición angular, de tipo absoluto y con salida de tipo analógico. Básicamente es una resistencia de hilo bobinado en una pista de material conductor, distribuida a lo largo de un soporte en forma de arco y un cursor solidario a un eje de salida que pueda deslizar sobre dicho conductor. El movimiento del eje arrastra el cursor provocando cambios de resistencia entre éste y los extremos. De esta forma si se alimentan los extremos con una tensión constante V o aparece en la toma de medida una tensión proporcional al ángulo girado a partir del origen. Interesa que esta variación sea lineal como se representa en la figura. En cuanto a la respuesta dinámica el potenciómetro es un elemento proporcional sin retardo, pero la frecuencia de funcionamiento suele quedar limitada a 5 Hz por motivos mecánico. El hilo bobinado puede ser de tipo semiconductor y la carcasa que lo cubre generalmente es de aluminio (Al).

Fig. 7 Potenciómetro 7 Potenciómetro angular

2. Sincros y resolvers: Un sincro es un transductor de posición angular de tipo electromagnético. Su principio de funcionamiento puede resumirse diciendo que se trata de un transformador, en el que uno de los devanados es rotativo. La configuración más habitual es:  

Primario en el rotor y monofásico Secundario en el estator y trifásico trifásic o

En la Figura se representa el esquema de un Sincro con la configuración indicada. Cuando se aplica una tensión senoidal al devanado primario, se recogen en los devanados secundarios de cada una de las fases tres tensiones, cuya amplitud y fase con respecto a la tensión del primario dependen de la posición angular del rotor.

Fig. 8 Esquema 8 Esquema de un sincro con la c onfiguración indicada

Funcionamiento del Sincro : En caso de existir una sola fase en el estator existiría una indeterminación en el signo del ángulo, que desaparece para un estator trifásico. Una configuración particular del Sincro es la del Resolver, cuyo principio de funcionamiento es análogo, con las siguientes particularidades constructivas:  

Primario Primari o en el estator y bifásico Secundario en el rotor, monofásico o bifásico.

En la Figura se representa de forma esquemática una configuración típica. Los devanados del estator se alimentan en serie, dando un campo estacionario sobre el eje y los devanados del rotor recogen distintas tensiones en función de 1.

Fig. 9 Representación 9 Representación de la configuración de un sincro

3. Inductosyn: La señal es similar a los sincros y resolvers pero su relación voltaje/distancia es mucho más precisa Es un transductor electromagnético utilizado para la medida de desplazamientos lineales, con precisión del orden de micras. Se emplea en máquinas medidoras de coordenada y máquinas herramientas de control numérico. El transductor consta de dos partes acopladas magnéticamente, una denominada escala fija y situada paralela al eje de desplazamiento y otra solapada a la anterior deslizante y solidaria a la parte móvil. Existe una versión rotacional que alcanza precisiones de hasta 5 milésimas de grado.

Fig. 10 Inductosyn 10 Inductosyn

4. Sensores ultrasónicos: Los sensores de ultrasonidos son detectores de proximidad que trabajan libres de roces mecánicos y que detectan objetos a distancias que van desde pocos centímetros hasta varios metros. El sensor emite un sonido y mide el tiempo que la señal tarda en regresar. Estos

reflejan en un objeto, el sensor recibe el eco producido y lo convierte en señales eléctricas, las cuales son elaboradas en el aparato de valoración. Estos sensores trabajan solamente en el aire, y pueden detectar objetos con diferentes formas, colores, superficies y de diferentes materiales. Los materiales pueden ser sólidos, líquidos o polvorientos, sin embargo han de ser deflectores de sonido. Los sensores trabajan según el tiempo de transcurso del eco, es decir, se valora la distancia temporal entre el impulso de emisión y el impulso del eco. Estos sensores utilizan materiales como el silicio entre sus componentes.

Inconvenientes: Este sensor, al no necesitar el contacto físico con el objeto, ofrece la posibilidad de detectar objetos frágiles, como pintura fresca, además detecta cualquier material, independientemente del color, al mismo alcance, sin ajuste ni factor de corrección. Los sensores ultrasónicos tienen una función de aprendizaje para definir el campo de detección, con un alcance mínimo y máximo de precisión de 6 mm. El problema que presentan estos dispositivos son las zonas ciegas y el problema de las falsas alarmas. La zona ciega es la zona comprendida entre el lado sensible del detector y el alcance mínimo en el que ningún objeto puede detectarse de forma fiable.

Fig. 11 Sensor 11 Sensor ultrasónico

5. Sensores magnetoestrictivos Está basado en la detección de un impulso ultrasónico generado por la deformación elástica que se produce en algunos materiales bajo el efecto de un campo magnético. Básicamente se trata de una varilla de material magnético en la que se genera una perturbación ultrasónica mediante una bobina inductora, sobre la varilla se coloca un imán móvil que puede deslizarse. El imán provoca un cambio de permeabilidad en el medio y esto provoca una reflexión de la onda ultrasónica, pudiéndose detectar la distancia al imán por el tiempo en recibir el eco.

Los transductores de desplazamiento MTS, basados en un principio de medida sin contacto, se utilizan para detectar la posición de elementos móviles en multitud de procesos industriales. Estos sensores se pueden encontrar en maquinaria específica para: acero (laminadores), madera (aserraderos), papel (corte), plástico (extrusoras), energética (aerogeneradores) así como en prensas hidráulicas, tuneladoras, etc. Características:         

Medida absoluta de desplazamiento lineal. Sin contacto. Longitudes de medida hasta 15 m. Múltiples posiciones simultaneas Desplazamiento y velocidad Resolución: hasta 1 micra. Linealidad: 0,01%. Señales de salida analógicas y digitales Muy resistentes en ambientes agresivos

Fig. 12 Sensor 12 Sensor magnetoestrictivo

Sensores de temperatura basados en semiconductores El sensor de temperatura de semiconductor dispone de funciones de transferencia que son proporcionales a la temperatura en K, °C o °F. APLICACIONES: Estos sensores iniciaron su aplicación en la protección de componentes electrónicos que pueden dañarse por altas o bajas temperaturas (ordenadores, disco duro del ordenador, cargadores de baterías y pantallas LCD-Liquida Cristal Display).

Otras aplicaciones de interés en el mundo industrial: 

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Sensor de temperatura de dos hilos. Se caracteriza porque los 2 hilos se encargan de la alimentación y de la señal de temperatura. La señal de salida es una tensión de c.c. con una impedancia de 100K o mayor, mientras que la alimentación es de c.a Transmisor de corriente de 4-20 mA c.c. Convertidores multicanal de temperatura a señal digital. Convertidores de temperatura a frecuencia.

Diodo semiconductor: El diodo semiconductor no solo es de gran importancia en las aplicaciones electrónicas modernas, sino que además la teoría de la unión n-p sirve como fundamento en la comprensión de los dispositivos semiconductores. 1. ¿QUÉ ES? Un rectificador de corriente eléctrica o "DIODO" es un componente electrónico de 2 (o más) terminales o electrodos, que solo permite la circulación de la corriente en un solo sentido, que para cargas eléctricas positivas es desde el electrodo "A" de mayor potencial eléctrico (denominado ánodo), hacia el electrodo "K" de menor potencial (denominado cátodo). Por lo tanto un diodo es, en general, un componente unidireccional, asimétrico. Un rectificador perfecto es el que para cualquier voltaje aplicado, no conduce absolutamente ninguna corriente de cargas positivas desde K hacia A, mientras que al revés, conduce cualquier valor infinitamente grande de corriente. Existe un conjunto muy grande de rectificadores semiconductores y dispositivos relacionados con características físicas y geométricas propias, según la función que deban realizar. Por su propiedad más importante (conducir corriente en un sentido y bloquearla en el otro), el símbolo electrónico del diodo semiconductor es una "flecha" en el sentido de circulación "directo" (forward en inglés), desde A hacia K. El sentido correspondiente a voltajes negativos, se denomina "inverso" (reverse).

Los 2 tipos más simples de rectificadores modernos (semiconductores) mostrados en la figura siguiente, compuestos por la unión o contacto de dos materiales: 1. Diodos de "Unión Semiconductor-Semiconductor": Semiconductor-Semiconductor": Son  Son los más conocidos (comúnmente llamados "diodos rectificadores"), constituidos por la unión de un semiconductor dopado tipo-n con un semiconductor del mismo material pero tipo-p (diodos de "unión n-p"); 2. Diodos de "Barrera Schottky Metal-Semiconductor" o "Diodos Schottky": Son Schottky": Son los primeros que existieron (llamados "diodos de señal"), constituidos por un metal y un semiconductor dopado tipo-p. Estos 2 materiales suelen estar ligados mediante un contacto puntual o por una unión física, como por ejemplo mediante difusión.

Fig. 13: Muestra 13: Muestra de los dos tipos de diodos semiconductores más comunes y simples: un diodo rectificador 1N4007, de unión n-p de silicio (con encapsulado plástico) y dos diodos de señal 1N60, Schottky de germanio (con encapsulado de vidrio). En el símbolo de este último, el K se indica con una "S" de "Schottky".

2. ¿PARA QUE SIRVE? Diodos de temperatura a voltaje: Los diodos semiconductores rectificadores son muy fáciles de usar en termometría industrial y en laboratorios, como termómetros pequeños, rápidos, confiables, de gran exactitud y repetitividad, incluyendo muy bajas temperaturas.

La termometría usando diodos semiconductores está basada en la dependencia del voltaje directo VF(T, IF) con la temperatura T y la corriente directa IF en una unión n-p. Para que solo dependa de T, se usa una pequeña corriente eléctrica constante, típicamente IF ≡ 10 μA

(±0.1%), lo suficientemente baja como para no sobrecalentar ni el dispositivo ni el sistema donde se mide T, y lo suficientemente alta como para que la magnitud de VF sea relativamente grande (del orden de 100 mV o superior). La "curva de respuesta con la temperatura" VF(T) de una unión n-p con Ge o con Si, es relativamente lineal solamente en rangos pequeños de temperatura. Pero con la Electrónica moderna, la alinealidad no es un problema. Muchos controladores de temperatura tienen un algoritmo PID y un termómetro formado por el diodo sensor de temperatura, con los puntos (VF, T) obtenidos en una calibración previa, guardados en la memoria.

Fig. 14: Diagrama esquemático de curvas características Corriente vs. Voltaje de un diodo a u na misma corriente IF pero a diferentes temperaturas (T1 < T2 < T3
Por ejemplo el sensor de temperatura DT- 670 Lake Shore es un diodo de “Si” especificado para funcionar entre 1.4 y 500 K (0 K ≡ -273.15 oC), se puede usar bajo campo magnético por sobre los 60 K, y posee una respuesta media con la temperatura aproximadamente lineal en dos tramos: (a) dVF/dT ≈ -22.6 mV/K en el rango 1.4K ≤ T ≤ 23K (1.644290V ≥ VF ≥ 1.140817V) (b) dVF/dT ≈ -2.1 mV/K en el rango 23K ≤ T ≤ 500K (1.140817V ≥ VF ≥ 0.090681V)

3. ¿DE QUÉ ESTÁ HECHO? Los diodos semiconductores más simples son dispositivos básicos de estado sólido donde el  A está compuesto compuesto por un material material semiconductor semiconductor tipo-p (generalmente (generalmente Si, Si, Ge o GaAs). GaAs). En un diodo rectificador el K es del mismo material semiconductor que el A pero tipo-n.

Fig. 15: 15: Esquemas, símbolos y curvas características de diodos reales: diodo de u nión n-p de Si y diodo Schottky metal-semiconductor de Ge.

Ejemplos: Serie de diodos rectificadores de Si "1N4001-1N4007" Diotec Electronic Corp. es uno de los fabricantes de la "Series 1N4001-1N4007 1Amp General Purpose Silicon Diodes". Son 7 diodos (1N4001/2/3/4/5/6/7) que pueden funcionar entre -65 y 175oC, poseen una IoMax = 5 μA y VRMax = 50, 100, 200, 400, 600, 800, 1000 V respectivamen te. Vienen con encapsulado "DO-41" de plástico (4.1 mm de largo, 2.6 mm de diámetro) y con una masa de 0.34 g.

4. ¿CÓMO FUNCIONA? El mecanismo de rectificación de un diodo semiconductor es muy distinto al de una válvula, debido a que los mecanismos de conducción en sí mismos son muy diferentes. Sin embargo, algunos conceptos son generales.

Por ejemplo, para ver cómo un rectificador eléctrico bloquea la corriente en un sentido pero la deja circular en el otro, hay que observar que el dispositivo no es simétrico; está formado por dos electrodos diferentes: ánodo (A) y cátodo (K), y el voltaje ΔVAK ≡ VA - VK sobre el rectificador (la caída de voltaje sobre el A respecto del K) puede tener dos signos diferentes. Cuando el voltaje es inverso, VR ≡ ΔVAK < 0 V,  la polaridad del dispositivo se denomina

"polarización inversa" (reverse bias). En este caso la circulación de corriente está bloqueada y el rectificador (perfecto) no conduce (IR = 0A). Esto significa que habría que vencer una "barrera de energía" (potencial eléctrica) para que una corriente (de cargas positivas) pudiera circular en sentido inverso (desde K hacia A). La existencia de esa barrera no solo hace que el dispositivo no sea simétrico, sino que además determina que haya un sentido privilegiado de circulación. Cuando el voltaje es directo, VF ≡ ΔVAK > 0 V, la polaridad del dispositivo se denomina

"polarización directa" (forward bias). El sentido de circulación de portadores positivos yendo desde A hacia K se denomina sentido directo. Puede darse uno de estos 2 casos: 1. No hay barrera a la conducción en directo (como en el caso de un diodo semiconductor ideal donde Vγ = 0V), o bien,

2. Existe otra barrera (en sentido directo), que es menor que la barrera para la conducción inversa (como en los diodos reales o "prácticos"). Por eso es que sobre el rectificador, para que haya corriente directa IF > 0A, en general no solo es necesario aplicar un voltaje directo VF, sino que además ese voltaje debe ser suficiente para que los portadores de carga alcancen o superen una brecha de energía; el voltaje directo debe alcanzar cierto "voltaje umbral" (threshold) Vγ relacionado con la barrera en directo: 0V ≤ Vγ ≤ VF Esta expresión toma en cuenta ambos casos, con barrera en polarización directa (Vγ > 0V) o sin ella (Vγ = 0V).

El diodo semiconductor de unión funciona de un modo muy diferente, pero también hay que aplicar un voltaje umbral para vencer una barrera (mucho menor que en las válvulas).

Funcionamiento del diodo semiconductor real Tres parámetros importantes en el funcionamiento del diodo rectificador de unión n-p son: 1. Intensidad de corriente inversa de saturación Io 2. Voltaje inverso de ruptura VBR (o VRMax) 3. Voltaje (directo) umbral Vγ

Cuando se fabrica un diodo de unión n-p, al poner en contacto dos materiales con concentración distinta (exceso de electrones libres en el tipo-n y exceso de agujeros en el tipo-p), habrá difusión de portadores de carga de uno y de otro lado a través de la unión. Entonces, los electrones (portadores de carga negativos y mayoritarios en el material tipo-n) difundirán hacia el tipo-p, dejando iones positivos donadores "desnudos" (en el tipo-n), cruzando la unión y recombinándose con agujeros, haciendo que queden iones negativos aceptadores desnudos (en el tipo-p).  Análogamente,  Análogamente, los agujeros (portadores (portadores de carga positivos y mayoritarios en el material material tipop) difunden hacia el tipo-n cruzando la unión y recombinándose con electrones

Fig. 16: Representación 16: Representación esquemática de la estructura de un diodo semiconductor de unión n-p. Debido a la recombinación de electrones libres del tipo-n con los agujeros del tipo-p, alrededor de la unión quedan iones que generan un campo eléctrico intrínseco (de contacto) Enp desde el tipo-n hacia el tipo-p.

Por lo tanto, la zona de material (originalmente neutro) tipo-n que rodea la unión queda positiva, y la zona cercana a la unión dentro del material tipo-p queda negativa, dando lugar a la aparición de un campo eléctrico inverso, intrínseco o de contacto, E np, que "apunta" desde el tipo-n (positivo) hacia el tipo-p(negativo). Este campo Enp de n hacia p produce una fuerza eléctrica F np = qEnp sobre las cargas q. Esta fuerza está en contra de los agujeros que están difundiendo hacia n, y análogamente, el mismo Enp produce una fuerza eléctrica contra los electrones que están difundiendo hacia p. Por lo tanto, la difusión persiste hasta que el E np llegue a ser lo suficientemente intenso en la unión, como para compensar la difusión y establecer el equilibrio. La región de recombinación que rodea la unión donde existe el campo eléctrico E np, se denomina región de deplexión, o región de carga de espacio, o región de transición (depletion

region; depletion layer) y tiene un espesor del orden de 1 μm. La existencia de E np (que apunta de n hacia p), hace que en la región de recombinación exista una variación o salto de potencial eléctrico V 0 (de unas cuantas décimas de volt, mayor en n respecto de p), y por lo tanto hay una barrera de energía potencial electrostática eV 0 para los agujeros y una barrera -eV 0 para los electrones. 1. Corriente inversa de saturación I o: El estado de no conductor a 0 K con polarización inversa cambia cuando T > 0 K. La presencia del campo eléctrico de los átomos desnudos con energía térmica kT, rompe algunos enlaces covalentes cercanos, y entonces aparecen pares agujero-electrón libre generados por la agitación térmica en ambos lados de la región de transición. El electrón de los pares generados en el tipo-n se liga a algún ión positivo cercano, y el agujero de los pares generados en el tipo-p se liga a algún ión negativo (como se muestra esquemáticamente en la Figura). Por lo tanto, alrededor de la unión a T > 0 K los agujeros en el tipo-n y electrones en el tipop generados térmicamente, bajo la fuerza del campo eléctrico inverso atraviesan la unión hasta recombinarse (flecha verde). Esto constituye una pequeña corriente inversa I R cuya intensidad con muy poco voltaje inverso alcanza el valor límite I o, que es el parámetro denominado corriente inversa de saturación del diodo.

Fig. 17: Representación 17: Representación esquemática del origen de la corriente inversa de saturación Io en un diodo semiconductor de unión n-p. En la zona de transición a T > 0 K, se rompen enlaces generando pares ag ujero-electrón. De este modo quedan agujeros entre los iones positivos del tipo-n y electrones entre los iones negativos del tipo-p, que se recombinan movidos por el campo eléctrico inverso.

En un diodo perfecto I o ≡ 0 A, pero en un diodo  ideal la teoría de Shockley predice y explica la existencia de I o, observada en los diodos reales (o prácticos). Esta corriente inversa se desprecia en muchas aplicaciones, ya que es del orden de 100 μA y 0.1 μA en diodos de Ge y de Si respectivamente. Pero por otro lado, existen otros dispositivos

donde se utiliza la sensibilidad de I o con la temperatura o bien con la iluminación (dado que también la luz visible puede romper enlaces covalentes y generar pares electrón-agujero).

2. Voltaje umbral V γ: En un diodo perfecto y en un diodo ideal tampoco hay voltaje umbral, es decir, V γ ≡ 0 V. Pero en un diodo real V γ también es un parámetro muy importante, de valor finito, como se verifica experimentalmente en las imágenes del cuadrante I de la curva I vs. V vistas en el trazador de curvas. En efecto, se observa en las curvas que la conducción en directo de un diodo de unión de Si y de un diodo Schottky de Ge es nula o casi despreciable hasta que el voltaje directo alcanza un valor umbral.

Fig. 18: Representación 18: Representación esquemática del cambio en el ancho de la región de transición con las polarizaciones inversa y directa.

Cuando el dispositivo se polariza en sentido directo (forward bias), V F > 0 V, el campo eléctrico exterior Eext que atraviesa la unión a lo largo de la región de recombinación, ahora tiene sentido opuesto al campo intrínseco E np, por lo que el campo eléctrico total posee una intensidad menor: E TOTAL = Enp - Eext. Esto significa que el campo sobre la unión polarizada directamente disminuye el ancho de la región de recombinación y consecuentemente la

barrera se hace más delgada. Pero si aún queda algo del campo intrínseco que el campo exterior no haya cancelado, persiste parte de la barrera y el dispositivo sigue en estado "no conductor". El voltaje umbral es el que produce un campo exterior directo que cancela al campo intrínseco inverso, y a partir del cual, sin barrera, podrá haber conducción. Éste es entonces el origen del voltaje umbral. 3. Curva Característica Corriente I vs. Voltaje V del diodo semiconductor  semiconductor  Considerando portadores mayoritarios y minoritarios, el físico e inventor estadounidense William Bradford Shockley (1910-1989) en 1949 elaboró la teoría de la unión n-p con su célebre ecuación para la corriente inversa I o, que conduce a la expresión de la corriente I en función del voltaje aplicado V (polarización inversa o directa), conocida como Ley del Diodo Ideal de Shockley: I = Io (e eV/ (kT) – 1) Donde la corriente inversa de saturación es: Io = constante x T  2 e-EG0/ (kT) Siendo EG0 ≡ EG(0K) el valor del gap del material a T = 0 K.

Fig. 19: Representación 19: Representación esquemática de las curvas características de un r ectificador perfecto, un diodo ideal (Ecuación de Shockley) y de un diodo semiconductor de unión real.

La Ecuación de Shockley describe bastante bien el comportamiento para pequeñas corrientes de un diodo ideal de unión n-p de germanio (con E G0Ge = 0.785 eV), donde dominan las corrientes de difusión. Pero en el caso de un diodo de Si o de GaAs, es necesario hacerle correcciones. Esto se debe a efectos de superficie, a efectos de "tunelaje" en la unión, y otros fenómenos no considerados en la deducción de Shockley. La curva I vs. V del diodo ideal de unión n-p de silicio crece más suavemente que la característica del diodo de Ge. Con las primeras décimas de voltio de V, el crecimiento de la corriente directa I F comienza variando como e  eV/(2kT) (en vez de e  eV/(kT) como es para el Ge). Haciendo las correspondientes correcciones, la característica para el Si resulta: I = Io (e eV/ (nkT) – 1) Donde n = 2 cuando domina la recombinación (corrientes pequeñas), n = 1 cuando domina la difusión (corrientes grandes), 1< n < 2 cuando ambos fenómenos contribuyen apreciablemente, y: Io = constante x T  3/2 e-EG0/ (2kT) y donde EG0Si = 1.21 eV. Por lo tanto las expresiones para un diodo ideal de unión n-p de germanio y de silicio se pueden sintetizar en una sola ecuación con 5 parámetros dependientes del material: I = Io (e eV/ (nkT) – 1) = constante x T  m e-EG0/(ηkT) (e eV/(nkT) – 1) donde para un diodo ideal de unión n-p de germanio: n=1 m = 2.0 EG0 = 0.785 eV η = 1 mientras que para un diodo ideal de unión n-p de silicio: (IF grande) 1 ≤  n ≤ 2 (IF pequeña) m = 1.5 EG0 = 1.21 eV η = 2 Otra forma de expresar I es con E G ≡ EG(T) en vez de E G0, usando que el valor EG del gap decrece en forma aproximadamente lineal con T, y entonces resulta: I = constante x T  (3+γ/2) e-EG/ (ηkT) (e eV/ (nkT) – 1) Donde γ es una constante que depende del material.  A partir del del voltaje umbral umbral Vγ, el diodo conduce en directo, y la caída de voltaje directo VF (forward voltage-drop) es del orden de 0.3 V hasta aproximadamente 3 V, dependiendo del dispositivo y de la intensidad de la corriente forward I F. Para los diodos rectificadores usados en aplicaciones de potencia (generalmente de silicio con VγSi ≈ 0.6 V), VF está en el rango 0.7-1.7 V. Por ejemplo, en el diodo 1N4007 de silicio típicamente es V F ≈ 1.1 V para  IF ≈ 1 A.

Medición de E G usando diodos semiconductores: La última expresión es interesante porque muestra explícitamente que para un diodo de germanio ( η = n = 1) o para un diodo de silicio con una corriente directa I F pequeña ( η = n = 2), y dentro de un rango pequeño de temperaturas cercanas a la ambiente (T ≈ 300 K) donde el término T (3+γ/2) varía mucho menos con T que e -EG/(ηkT), y donde e  eVF/(nkT) >> 1, se tiene IF ≈ constante x e -EG/(ηkT) e eVF/(nkT) = constante x e (eVF -EG)/(nkT) de donde resulta que manteniendo la corriente directa I F constante y pequeña (cercana al umbral), T ≈ constante x (E G - eVF) ≡ A0 + A1VF

Transistor de temperatura: El transistor es también un buen sensor de temperatura. El voltaje base-emisor de un transistor varía directamente con la temperatura a corriente constante de la misma manera en que lo hace la caída en directa de un diodo. El transistor de unión bipolar: (del 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, Base, la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector. Colector , de extensión mucho mayor. 

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Fig.20: Regiones Fig.20: Regiones de un transistor semiconductor

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, porque es 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. Tipos de transistor: Tipo 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 Fig. 21 Transistor 21 Transistor tipo NPN

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.

Tipo 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.

Fig. 22 Transistor 22 Transistor tipo 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.

Fig.23: Tipos Fig.23: Tipos NPN y PNP de transistores

En la mayor parte de las aplicaciones, la señal de salida alimenta un comparador o un convertidor A/D para convertir los datos de temperatura a un formato digital.

Los sensores desarrollados en este campo son analógicos y digitales con tensión de salida proporcional a la temperatura absoluta o a la temperatura en °C o °F, sensibilidad 10 mV/°C y una exactitud de 1°C dentro del intervalo de -55°C a 150°C. Hay analógicos con corriente de salida proporcional a la temperatura absoluta y sensibilidad de 1 A/°C y termostatos de -40°C a +125°C. Un sensor de temperatura de silicio es un circuito integrado (IC) que puede contener un circuito de procesamiento de la señal que se encargue de la compensación de la unión fría o de la linealización dentro del mismo IC (circuito integrado).

Sensores de luz basados en semiconductores Los sensores de luz se usan para detectar el nivel de luz y producir una señal de salida representativa respecto a la cantidad de luz detectada. Un sensor de luz incluye un transductor fotoeléctrico para convertir la luz a una señal eléctrica y puede incluir electrónica para condicionamiento de la señal, compensación y formateo de la señal de salida.

Fotorresistencias (ldr) La fotorresistencia, como su nombre lo indica, es un resistencia cuyo valor dependen de la energía luminosa incidente en ella, específicamente son resistencias cuyo valor de resistividad disminuye a medida que aumenta la energía luminosa incidente sobre ella y viceversa. Una fotorresistencia se compone de un material semiconductor cuya resistencia varía en función de la iluminación. La fotorresistencia reduce su valor resistivo en presencia de rayos luminosos. Es por ello por lo que también se le llama resistencias dependientes de luz (light dependent resistors), fotoconductores o células fotoconductoras.

Fig.24 Aspecto Fig.24 Aspecto físico y símbolo símbolo de una LDR

Las células son también capaces de reaccionar a una amplia gama de frecuencias, incluyendo infrarrojo (IR), luz visible, y ultravioleta (UV). Los materiales que intervienen en su construcción son Sulfuro de Cadmio, utilizado como elemento sensible a las radiaciones visibles y sulfuro de plomo se emplean en las LDR que trabajan en el margen de las radiaciones infrarrojas. Estos materiales se colocan en encapsulados de vidrio o resina.

Fig. 25 Fotogeneración de portadores

Si dejamos de iluminar, los portadores fotogenerados se recombinarán hasta volver hasta sus valores iniciales. Por lo tanto el número de portadores disminuirá y el valor de la resistencia será mayor. Por supuesto, el material de la fotorresistencia responderá a unas longitudes de onda determinadas

Fig.26 Estado de conducción sin fotogeneración

Es decir, la variación de resistencia será máxima para una longitud de onda determinada. Esta longitud de onda depende del material y el dopado, y deberá ser suministrada por el proveedor. En general, la variación de resistencia en función de la longitud de onda presenta curvas como las de la figura siguiente:

Fig. 27 Curva 27 Curva característica de la LDR

El valor de resistencia eléctrica de un LDR es bajo cuando hay luz incidiendo en él (puede descender hasta 50 ohm) y muy alto cuando está a oscuras (varios megaohmios). 

Principales características de las fotoresistencias: 1.- Los valores típicos varían entre 1 MΩ, o más, en la oscuridad y 100 Ω con luz brillante.

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2.- Disipación máxima, (50 mW-1W). 3.- Voltaje máximo (600V). 4.- Respuesta Espectral. 5.- El tiempo de respuesta típico de un LDR está en el orden de una décima de segundo. Ventajas de las fotoresistencias: 1.- Alta sensibilidad (debido a la gran superficie que puede abarcar). 2.- Fácil empleo. 3.- Bajo costo. 4.- No hay potencial de unión. 5.- Alta relación resistencia luz-oscuridad. APLICACIONES: En la mayor parte de las aplicaciones de los resistores LDR se basan en el accionamiento de un relé o una lámpara. Esta puede estar afectando directa o indirectamente. 1.- Encendido de luces 2.-LDR de retención 3.- Indicador de nivel 4.- Conmutador automático de brillo y contraste en televisión 5.- Luz intermitente

Fotodiodo Un fotodiodo es un semiconductor construido con una unión PN, sensible a la incidencia de la luz visible o infrarroja. Para que su funcionamiento sea correcto se polariza inversamente, con lo que se producirá una cierta circulación de corriente cuando sea excitado por la luz. Debido a su construcción, los fotodiodos se comportan como células fotovoltaicas, es decir, iluminados en ausencia una fuente exterior de energía generan una corriente muy pequeña con el positivo en el ánodo y el negativo en el cátodo. El fotodiodo se parece mucho a un diodo semiconductor común, pero tiene una característica que lo hace muy especial: es un dispositivo que conduce una cantidad de corriente eléctrica proporcional a la cantidad de luz que lo incide (lo ilumina). Si el fotodiodo quedara conectado, de manera que por él circule la corriente en el sentido de la flecha (polarizado en sentido directo), la luz que lo incide no tendría efecto sobre él y se comportaría como un diodo semiconductor normal.

Luz incidente

Sentido de la corriente

Fig.28

figura 7

Fig. 29

Principio de funcionamiento: Un fotodiodo es una unión p-n o estructura PIN. Cuando un fotón de energía suficiente golpea el diodo, se excita un electrón, creando de ese modo un electrón libre. Este mecanismo también se conoce como el efecto fotoeléctrico interno. Si la absorción se produce en la región de agotamiento de la unión, o una longitud de difusión de distancia de ella, estos portadores son barridas de la unión por la incorporada en el campo eléctrico de la región de agotamiento. Por lo tanto agujeros se mueven hacia el ánodo, y los electrones hacia el cátodo, y se produce una fotocorriente. La corriente total a través del fotodiodo es la suma de la corriente oscura y la fotocorriente, por lo que la oscuridad corriente debe reducirse al mínimo para maximimze la sensibilidad del dispositivo. La mayoría de los fotodiodos vienen equipados con un lente que concentra la cantidad de luz que lo incide, de manera que su reacción a la luz sea más evidente.

Composicion: El material empleado en la composición de un fotodiodo es un factor crítico para definir sus propiedades. Suelen estar compuestos de silicio, sensible a la luz visible (longitud de onda de hasta 1µm); germanio para luz infrarroja (longitud de onda hasta aprox. 1,8 µm ); o de cualquier otro material semiconductor.

Material

Longitud de onda (nm)

Silicio

190 –1100

Germanio

800 –1900

Indio galio Indio  galio arsénico  arsénico (InGaAs) 800 –2600

sulfuro de plomo

<1000-3900

También es posible la fabricación de fotodiodos para su uso en el campo de los infrarrojos medios (longitud de onda entre 5 y 20 µm), pero estos requieren refrigeración por nitrógeno líquido.

Usos y Aplicaciones: 

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A diferencia del LDR o fotorresistencia, fotorresi stencia, el fotodiodo responde a los cambios de oscuridad a iluminación y viceversa con mucha más velocidad, y puede utilizarse en circuitos con tiempo de respuesta más pequeño. Fotodiodos se utilizan a menudo para una medición precisa de la intensidad de de la luz de la ciencia y la industria. En general, tienen una respuesta más lineal que fotoconductores. Fotodiodos PN se utilizan en aplicaciones similares a otros fotodetectores, como fotoconductores,dispositivos de acoplamiento de carga,y tubos fotomultiplicadores. Ellos se pueden utilizar para generar una salida que depende de la iluminación, o para cambiar el estado de los circuitos. Se usa en los lectores de CD, recuperando la información grabada en el surco del Cd transformando la luz del haz láser reflejada en el mismo en impulsos eléctricos para ser procesados por el sistema y obtener como resultado los datos grabados. Usados en fibra óptica También son ampliamente utilizados en diversas aplicaciones médicas, tales como detectores para la tomografía computarizada, instrumentos para analizar las muestras, y oxímetros de pulso.

Fototransistores Los fototransistores no son muy diferentes de un transistor normal, es decir, están compuestos por el mismo material semiconductor, tienen dos junturas y las mismas tres conexiones externas: colector, base y emisor. Por supuesto, siendo un elemento sensible a la luz, la primera diferencia evidente es en su cápsula, que posee una ventana o es totalmente transparente, para dejar que la luz ingrese hasta las junturas de la pastilla semiconductora y produzca el efecto fotoeléctrico.

Fig. 30 Fototransistor 

Un fototransistor es igual a un transistor común, con la diferencia que el primero puede trabajar de 2 formas: 1.-Como transistor normal con la corriente de base Ib (modo común). 2.-Como fototransistor, cuando la luz que incide en este elemento hace las veces de corriente de base. Ip (modo de iluminación). Puede utilizarse de las dos en formas simultáneamente, aunque el fototransistor se utiliza principalmente con el pin de la base sin conectar.

Principio de funcionamiento: Los fototransistores combinan en un mismo dispositivo la detección de luz y la ganancia. Los fotones incidentes generan pares electrón-hueco en la proximidad de la gran unión CB. Las tensiones de polarización inversa de la unión CB, llevan los huecos a la superficie de la base y los electrones al colector. La unión BE polarizada directamente, hace que los huecos circulen de base a emisor mientras que los electrones fluyen del emisor a la base.En este punto la acción convencional del transistor se lleva a cabo con los electrones inyectados del emisor cruzando la pequeña región de la base y alcanzando el colector que es más positivo. Este flujo de electrones constituye una corriente de colector inducida por la luz. Los pares electrón-hueco fotoinducidos contribuyen a la corriente de base y si el fototransistor se conecta en configuración de emisor común, la corriente de base inducida por la luz, aparece como corriente de colector multiplicada por β ó hfe.

Caracteristicas: 

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El circuito equivalente de un fototransistor, fototransist or, es un transistor común con un fotodiodo conectado entre la base y el colector, con el cátodo del fotodiodo conectado al colector del transistor y el ánodo a la base. Teniendo las mismas características característica s de un transistor normal, es posible regular su corriente de colector por medio de la corriente de base.

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El fototransistor fototransist or conduce más o menos corriente de colector cuando incide más o menos luz sobre sus junturas. El mismo puede ser identificado en un circuito con la simbología mostrada en la figura 8. Tiene un tiempo de respuesta muy corto al igual que el fotodiodo, solo que su entrega de corriente eléctrica es mucho mayor.

Usos y Aplicaciones:  

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El fototransistor es muy utilizado para aplicaciones donde la detección de iluminación es muy importante. Se utilizan ampliamente ampliament e encapsulados conjuntamente con un LED, formando interruptores ópticos (opto-switch), que detectan la interrupción del haz de luz por un objeto. Existen en dos versiones: de transmisión y de reflexión. Su aplicación es a dispositivos como: El mouse, lectores de cinta, lapices opticos, control remoto,etc.

Fotovoltaicos Una célula fotoeléctrica, también llamada celda, fotocélula o célula fotovoltaica, es un dispositivo electrónico que permite transformar la energía lumínica (fotones) en energía eléctrica (flujo de electrones libres) mediante el efecto fotoeléctrico, generando energía solar fotovoltaica. Compuesto de un material que presenta efecto fotoeléctrico, absorben fotones de luz y emiten electrones. Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad. Estos sensores están generados por semiconductores del tipo p-n.

Fig.30. Fig.30. simbolo de celula fotovoltaica

Fig.31 celda Fig.31 celda fotovoltaica

Incidencia de fotones: Si una vez alcanzado el equilibrio un fotón entra en la zona de agotamiento. Si este tiene una energía superior a la Energía de la banda de GAP, será absorbido creando un par electrónhueco. Este nuevo par generara un u n nuevo campo eléctrico opuesto al creado c reado por el el mecanismo de difusión. Al difusión. Al incidir luz sobre una unión PN se genera una tensión eléctrica que es función de la intensidad de la radiación (principio de las células solares)

Cuantos más fotones llegan a la unión, los campos tenderán a anularse. Esta condición en el momento en el que se anulan es la que determina la tensión a Circuito Abierto. Finalmente colocando unos contactos metálicos sobre la superficie de la célula se puede utilizar el potencial creado. Ver Figura 32-33

Fig. 32

Fig. 33

Usos y Aplicaciones  

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Las células fotovoltaicas se utilizan a veces solas (iluminación (iluminaci ón de jardín, calculadoras,...) o agrupadas en paneles solares fotovoltaicos. Se utilizan para reemplazar a las baterías (cuya energía es con mucho la más cara para el usuario), las células han invadido las calculadoras, relojes, aparatos, etc. Se utilizan para producir electricidad electrici dad para muchas aplicaciones (satélites,robots (satélit es,robots que se mueven en marte,sondas espaciales,parquímetros,etc.) y para la alimentación de los hogares o en una red pública en el caso de una central solar fotovoltaica. fotovoltaica.

Sensores ccd Un dispositivo de carga acoplada (en inglés charge-coupled device, conocido también como CCD), es un circuito integrado que contiene un número determinado de condensadores enlazados o acoplados. Bajo el control de un circuito interno, cada condensador puede transferir su carga eléctrica a uno o a varios de los condensadores que estén a su lado en el circuito impreso. El funcionamiento de los CCD se basa en el fenómeno físico del efecto fotoeléctrico. Ciertas sustancias tienen la propiedad de absorber cuantos de luz, o fotones, y liberar un electrón.

Fig. 34 sensor 34 sensor CCD

Fabricación: Para la fabricación de los detectores CCD se utiliza el silicio, el cual es un material semiconductor. Una de las caras de una placa de silicio se recubre con una red de electrodos microscópicos cargados positivamente. En virtud del efecto fotoeléctrico, la luz incidente genera electrones, de carga negativa, que son atraídos por los electrodos y se acumulan a su alrededor. La imagen final captada por el detector CCD es un mosaico formado por tantos elementos, o teselas, como electrodos hay en la placa de silicio. Se suele llamar píxeles a las teselas de los mosaicos digitales.

Usos y Aplicaciones: 

Es usado en camaras digitales de alta resolucion, tambien en el diseño de lentes de camaras de video,microscopios video,micr oscopios y telescopios,etc. telescopios,et c.

Sensor cmos Un sensor de píxeles activos ((en inglés) active pixel sensor cuyo acrónimo es APS), es un sensor que detecta la luz basado en tecnología CMOS y por ello más conocido como Sensor CMOS. Gracias a la tecnología CMOS es posible integrar más funciones en un chip sensor, como por ejemplo control de luminosidad, corrector de contraste, o un conversor analógico-digital.

Fig.35 sensor Fig.35 sensor CMOS

Diferencias con el sensor ccd: Esta clase de sensor presenta varias ventajas respecto al sensor CCD. El sensor CMOS no tiene un coste tan elevado debido a que el chip que utiliza no necesita tantos elementos electronicos como el sensor de imagen CCD Otra gran diferencia, es que el xip CMOS puede integrar muchas funciones y procesos, tales como comprimir fotografías, cambio de datos analógicos a digitales, mientras que el CCD, estos procesos se realizan fuera del xip. A su vez también consume mucha menos energía evitando que alcance una temperatura excesiva del mismo, alargando su duración.

Ventajas:        

Consumo eléctrico muy inferior. Económico (necesita pocos componentes externos). Lectura simultánea de mayor número de pixeles. El conversor digital puede estar integrado en el mismo chip. Escaso Blooming ("Smear") o inexistente. Mayor flexibilidad en la lectura (Previsualización más rápida, vídeo,...). Los pixeles pueden ser expuestos y leídos simultáneamente. Muy alta frecuenci frecuencia a de imagen en comparación a un CCD del mismo tamaño.

Desventajas: 

Menor superficie superficie receptor receptora a de la luz por píxel. píxel.

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Menor uniformidad de los píxeles (mayor ruido de patrón fijo-FPN).

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Efecto "jelly" o inestabilidad inestabilidad en la imagen con movimientos rápidos (se tuerce el el vídeo) o flashes debido al tipo de obturación giratoria que utiliza.

Usos y Aplicaciones: Debido a su bajo coste, el APS (CMOS) comenzó a emplearse masivamente en webcams y en las cámaras de los teléfonos móviles. Sin embargo, hoy día también se utiliza en cámaras DSLR de Canon, Nikon, Pentax Sony y Sigma, pues no sólo superan en luminosidad a los sensores CCD, sino que también producen menos ruido.

CONCLUSIONES GENERALES: 

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Los sensores basados en en semiconductores, semiconductor es, dependiendo del grado de impurezas con que se dopen los sustratos estos variarán en mayor o menor grado su conductividad eléctrica frente a cambios de: temperatura, deformaciones mecánicas, intensidad luminosa, campos eléctricos, campos magnéticos, radiaciones nucleares, radiaciones electrónicas, entre otros; permitiendo su aplicación para las diversas áreas industriales. En la actualidad los sensores se han convertido en dispositivos fundamentales para la contruccion de elementos y herramientas en las actividades del hombre, ya sea en necesidades de proteccion, comodidad, seguridad,etc. Razon por la cual es vital el conocimiento y la investigacion de los distintos tipos sensores.