Electrónica

Lo que separa conductores, aislantes y semiconductores es la banda prohibida entre la banda de valencia llena y la de conducción vacía. Ensancha y estrecha el hueco y observa cómo el número de portadores libres depende de exp(-Eg/2kT).

Un donante pentavalente hace mayoría a los electrones; un aceptor trivalente, a los huecos. Cambia el átomo central y observa cómo la valencia de la impureza fija el portador mayoritario mientras el cristal sigue neutro.

Los portadores se mueven por deriva, empujados por un campo, y por difusión, esparcidos por una diferencia de concentración. Enciende cada mecanismo por separado y observa cómo se completa la corriente total J = qnμE + qD(dn/dx).

Une tipo n y tipo p y los portadores mayoritarios cruzan por difusión, exponiendo iones dopantes fijos que levantan una zona de carga espacial y una barrera de potencial interno. Recorre cómo la deriva cancela la difusión hasta el equilibrio de corriente neta cero.

Pon un voltaje sobre una unión pn y fluye en un solo sentido. Barre la polarización de inverso a directo y observa la base de la rectificación: corriente que se dispara exponencialmente en directo y se bloquea en inverso.

Reconfigura una señal con una válvula de un sentido. Baja el umbral para cortar picos (recorte) y sigue a un capacitor en serie que desplaza toda la onda (fijación): dos usos del mismo principio.

Un diodo Zener opera a propósito en ruptura inversa. Sube el voltaje de entrada y observa cómo, pasado el voltaje de ruptura Vz, la salida deja de seguir y se mantiene en Vz: regulación de voltaje.

Cuatro diodos doblan hacia arriba incluso los semiciclos negativos para una rectificación de onda completa. Haz crecer el capacitor de filtrado y observa la pulsación irregular convertirse en CC casi plana.

Un BJT son dos uniones pn en torno a una base delgada. Sube la corriente de base y observa cómo los portadores vertidos por el emisor cruzan la base delgada hacia el colector, de modo que una pequeña corriente de base controla una de colector β veces mayor.

Antes de amplificar, aparca el transistor en un punto de la recta de carga. Cambia la polarización para mover el punto de operación Q y observa que el margen de oscilación es máximo en el centro, donde Vce es la mitad de Vcc.

Para una señal pequeña en torno al punto de operación, el transistor es lineal. Reduce la amplitud y observa la curva exponencial parecer recta, dando ic = gm vbe y convirtiendo el transistor en un modelo de pequeña señal de rπ y una fuente de corriente.

Pon el modelo de pequeña señal en un circuito para crear por primera vez una ganancia de voltaje. Haz crecer el resistor de colector y observa la corriente de señal volverse voltaje en Rc, de modo que la salida crece a -gm Rc veces la entrada y se invierte.

Un amplificador se sitúa entre una fuente y una carga. Cambia el resistor de carga y observa la impedancia de entrada rπ y la de salida Rc formar un divisor y un paralelo, recortando la ganancia real Av = -gm (Rc || RL) por debajo del valor sin carga.

Un MOSFET abre su canal con el voltaje de compuerta, no con corriente. Sube el voltaje de compuerta y observa que la compuerta aislada da una impedancia de entrada muy grande, y que un canal que une fuente y drenador aparece en cuanto Vgs cruza el umbral Vth.

Una vez que el canal existe, la corriente la decide el voltaje de drenador Vds. Sube Vds y observa cómo se divide en una región lineal (resistor) con Vds pequeño y una de saturación (fuente de corriente) donde Vds supera el sobreimpulso y el canal se estrangula.

En torno a un punto de operación de saturación el MOSFET es lineal. Mueve el sobreimpulso y observa la pendiente de la curva cuadrática, gm = k Vov = √(2k Id), crecer solo como la raíz cuadrada de la corriente (a diferencia del BJT), con entrada abierta por la compuerta aislada.

Pon el modelo de pequeña señal del MOSFET en un circuito para crear una ganancia de voltaje. Haz crecer el resistor de drenador y observa la salida invertirse por -gm Rd, en la misma forma que el emisor común, mientras la compuerta aislada da una impedancia de entrada casi infinita.

Observa el inversor CMOS, un par complementario de NMOS y PMOS. Barre el voltaje de entrada y observa por qué la salida se invierte limpiamente mientras, en cualquier estado estable, un lado está apagado y la potencia estática es casi cero.

Observa el par diferencial, la etapa de entrada de un amplificador operacional. Separa las dos entradas y mira la corriente de cola compartida desviarse a un lado para hacer una salida diferencial vod=Ad vdiff, mientras una señal común se rechaza porque la suma se mantiene constante (CMRR).

La ganancia de un op-amp real no es ni infinita ni plana. Baja la ganancia en lazo cerrado y observa el ancho de banda ensancharse en el mismo factor, con el producto GBW=Acl·fc constante en la frecuencia de ganancia unidad.

Si el GBW es un límite de señal pequeña, las señales grandes tienen un muro llamado velocidad de respuesta. Sube la frecuencia de entrada y observa la salida incapaz de cambiar más rápido que SR=Imax/C, distorsionando una senoide en un triángulo, más el recorte en los rieles que completa los límites de señal grande.

Observa el filtro activo, que combina la impedancia dependiente de la frecuencia de un capacitor con un op-amp. Barre la frecuencia de entrada y observa las frecuencias por debajo del corte fc=1/(2πRC) pasar y las de arriba caer a -20 dB/dec, con el op-amp añadiendo ganancia y un búfer.

Un interruptor ideal tiene voltaje cero al encender y corriente cero al apagar, así que casi no disipa potencia. Barre la razón de conversión y observa que, a diferencia de un enfoque lineal que quema la diferencia como calor (η=Vout/Vin), la conmutación, que trocea la entrada y la promedia con un LC (Vout=D·Vin), mantiene alta la eficiencia sin importar la razón.

Un MOSFET de potencia es el interruptor ideal de F1 pero pierde potencia de dos maneras. Barre la frecuencia de conmutación y observa cómo una pérdida de conducción independiente de la frecuencia (P_cond=I²Ron·D) y una de conmutación proporcional a ella (P_sw=½VI·tsw·fsw) fijan el techo de la eficiencia y el calor, y por qué se persiguen dispositivos con menor Ron y transiciones más rápidas (GaN, SiC).