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Diapositiva 1
FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES
LA UNIÓN P-N
La unión p-n en circuito abierto
Iones de
impurezas
aceptoras
Hueco
Iones de
impurezas
dadoras
Zona de
deplexión
-
A
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Unión
-
+
+ +
+
+ +
+
+
+
+
+
+
-
-
- + +
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
+
Contacto
óhmico
K
Electrón
p
n
Diapositiva 2
FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES
LA UNIÓN P-N
La unión p-n en polarización inversa
n
n
Movimiento de portadores
Corriente
-
_
A
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
+
-
-
-
+
-
+
-
+
-
+
+
+
+
+
+
+
+
Minoritarios
Mayoritarios
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
K
Diapositiva 3
FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES
LA UNIÓN P-N
La unión p-n en polarización directa
n
n
Movimiento de portadores
Corriente
-
A+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
++
- +
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Minoritarios
Mayoritarios
+
_K
Diapositiva 4
FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES
LA UNIÓN P-N
Potencial de contacto y ancho de la región de
transición de una unión p-n.
p
A
_+
_ +
_+
n
K
E
Densidad de carga
_
Campo eléctrico
X
_
-
Potencial
+
X
d 2V
ρ
=−
2
dx
ε
E=−
dV
ρ
= ∫ dx
dx
ε
Barrera de
potencial
Vo
X
V = −∫ Edx
Diapositiva 5
FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES
LA UNIÓN P-N
Barrera de potencial y ancho de la región de
transición de una unión p-n, con polarización
_V +
inversa
p
n
I0
_+
_
_
+
_ ++
A
K
E
Densidad de carga
_
Campo eléctrico
+
X
_
X
V
Potencial
VB
Vo
X
VB = Vo + V
Diapositiva 6
FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES
LA UNIÓN P-N
Barrera de potencial y ancho de la región de
transición de una unión p-n, con polarización
+V _ n
directa
p
I
_+
_+
A
K
E
Densidad de carga
_
+
X
Campo eléctrico
X
-
V
Potencial
Vo
VB
X
VB = Vo − V
Diapositiva 7
FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES
LA UNIÓN P-N
Componentes de corriente en polarización
directa
+V _ n
p
I
_+
_+
A
K
nn
pp
Concentración de
portadores
npo
pno
0
X
I
Corriente
0
X
Diapositiva 8
FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES
LA UNIÓN P-N
Ecuación de la unión: Hipótesis restrictivas
n
n
n
Ancho de la zona de transición despreciable
En la zona de transición no hay generación de pares
electrón-hueco
Se desprecian las corrientes de fuga en la superficie
del semiconductor ni corrientes transversales
Diapositiva 9
FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES
LA UNIÓN P-N
Ecuación de la unión: Deducción
HUECOS
ELECTRONES
dp ( x)
I pn ( x) = − SqD p n
dx
Pn(0) pn(x)
pn (x ) = Pn ( x) + p− no
x
Pn (x)
Pn (x ) = Pn (0) × e Lp
pn(0)
Vo −V
VT
pno p po = pn (0) × e
0 dX
X
I pn ( 0) =
SqD p pno
(e
Lp
V
VT
Ley de la Unión
V
− 1)
I np (0 ) =
SqDn n po V
(e − 1)
Ln
D p
D n  V
I = qS  p no + n po  (e VT − 1)
Ln 
 L p
T
Diapositiva 10
FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES
LA UNIÓN P-N
Corriente inversa de saturación
n
n
Discrepancias del valor teórico y práctico
Dependencia
D p
Dn 
I o = qS  p no + n po  = f (T )
Ln 
 L p
Diapositiva 11
FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES
DIODO SEMICONDUCTOR
Ecuación de la característica tensión-intensidad
I = I o (e
V
ηVT
− 1)
I
Representación gráfica
n
n
n
Tensión umbral (Vγγ)
OFF<> Corte
ON <> Conducción
I ≅ I oe
- +
V
A
V
ηVT
+ -
V
K
A
K
I ≅ −I o
0
OFF
Polarización
inversa
Vγ
V
ON
Polarización
directa
Diapositiva 12
FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES
DIODO SEMICONDUCTOR
Germanio vs Silicio
I
Ge
0
0,2
0,6
Si
V
Diapositiva 13
FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES
DIODO SEMICONDUCTOR
Ejercicio 1. Cálculo y representación de la característica de un diodo.
DATOS
Semiconductor
η
Intensidad inv.de satur.(nA)
Temperatura (ºK)
INCOGNITAS
Silicio
Tensión (V)
Intensidad(mA)
2,00
0,65
0,2868
1,00
0,68
0,5123
300
0,71
0,9150
0,74
1,6342
0,77
2,9188
0,80
5,2130
0,83
9,3106
0,86
16,6291
0,89
29,7003
0,92
53,0458
Diapositiva 14
FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES
DIODO SEMICONDUCTOR
Ejercicio 2. Cálculo de la intensidad y tensión entre bornas de un diodo.
Método general de cálculo: Resolución del sistema formado por
la recta de carga del circuito y la ecuación del diodo.
R
+
V
-
A
ID
Vo
ηVT
+
-
Vo
I = I o (e − 1)
V = I D R + Vo
Método iterativo
K
DATOS
INCOGNITAS
Semiconductor
Germanio Tensión entre bornas (V) Intensidad(mA)
Tensión de la Fuente (V)
6,00
0,0000
3,0000
Resistencia
(Kilo-ohmios)
2,00
0,3262
2,8369
η
1,00
0,3247
2,8376
Intensidad inv.de satur.(nA)
10,00
0,3247
2,8376
Temperatura (ºK)
300
0,3247
2,8376
Diapositiva 15
FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES
DIODO SEMICONDUCTOR
Respuesta de un diodo a la temperatura
Reglas prácticas
t1 −to
10
I o (t1 ) ≅ I o (to ) × 2
∆Io
≅ 0 , 07 º C −1
Io∆T
∆V
≅ −2,5mV /º C
∆T
I
T1
0
> To
V
Diapositiva 16
FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES
DIODO SEMICONDUCTOR
Ejercicio 3. Según la ecuación anterior la corriente inversa de saturación
del germanio debería aumentar un 11%/ºC, pero experimentalmente
obtenemos en el laboratorio que la variación práctica con la temperatura es
alrededor del 7%/ºC, cuando aplicamos una tensión inversa de 6V siendo la
corriente de 1µA. Esta situación se interpreta como si el diodo teórico
estuviera en paralelo con una resistencia que representa las corrientes de
fugas del dispositivo. Calcular esta resistencia.
Diapositiva 17
FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES
DIODO SEMICONDUCTOR
Ejercicio 4. La resistencia térmica del contacto mecánico del chasis de un
diodo con su medio es de 0,1 mW/ºC, es decir, disipa 0,1 mW por cada
grado de aumento de la temperatura. No se permite que la temperatura del
diodo aumente por encima de la ambiente (25ºC) más de 20ºC. Si la
corriente inversa de saturación es de 1µA a 25ºC y teniendo en cuenta que
ésta se duplica por cada 10ºC de aumento, calcular la tensión inversa
máxima que se puede aplicar al diodo.
Diapositiva 18
FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES
DIODO SEMICONDUCTOR
Resistencia estática
I
I3
RR =
VR
→∞
IR
I2
RF =
I1
V1 V2 V3
V
VF
IF
Diapositiva 19
FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES
DIODO SEMICONDUCTOR
Resistencia dinámica o incremental
I
r=
dV
1
=
→∞
dI tag 0
r=
α
V
dV
1
=
dI tag α
Diapositiva 20
FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES
DIODO SEMICONDUCTOR
Ejercicio 5. Un diodo ideal de germanio tiene a temperatura ambiente una
resistencia estática de 5 Ω, siendo la intensidad en ese punto de 50 mA.
Calcular la resistencia dinámica del diodo cuando se polariza directamente
con una tensión de 0,3 V.
Diapositiva 21
FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES
DIODO SEMICONDUCTOR
Capacidad de transición
-V+
A
-V+
K
A
CT =
I
K
dQ
S
=ε
dV
w
V
Diapositiva 22
FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES
DIODO SEMICONDUCTOR
Ejercicio 6. Se usan con frecuencia diodos polarizados inversamente como
condensadores variables gobernados por tensión. La capacidad de transición
de un diodo de unión abrupta es de 12 pF a 6V . Hallar la disminución de
capacidad cuando la polarización aumenta 1V.
Diapositiva 23
FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES
DIODO SEMICONDUCTOR
Capacidad de difusión
I
- +
V
K
V
- +
V
A
K
2
dq  L p L2n  1
CD =
=
+
×
dV  D p Dn  r
A
Diapositiva 24
FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES
DIODO SEMICONDUCTOR
Ejercicio 7. En un diodo de silicio en que el lado p está mucho más dopado
que el lado n, la longitud de difusión es de 3x10-6 m., la movilidad de los
huecos 500 cm 2/V-s y la capacidad de difusión 2 nF. Calcular la intensidad
de corriente que pasa por él a temperatura ambiente. Se desprecia la
corriente inversa de saturación.
Diapositiva 25
FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES
DIODO DE RUPTURA O DE AVALANCHA
Efecto de ruptura o de avalancha: temperatura
Efecto Zener: campo eléctrico
I
Vz
V
Zona de ruptura
o de avalancha
Diapositiva 26
FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES
DIODO DE RUPTURA O DE AVALANCHA
Efecto de ruptura o de avalancha: temperatura
_V +
p
n
I
_+
__
++
_+
A
K
E
Densidad de carga
_ +
Campo eléctrico
X
_
X
Huecos con mayor
energía térmica
generan electrones
Electrones con mayor
energía térmica generan
huecos
Potencial
V
VB
Vo
X
V >> Vo
Diapositiva 27
FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES
DIODO DE RUPTURA O DE AVALANCHA
Efecto Zener: campo eléctrico
p
A
Densidad de carga
_
V+ n
__
_
__ +
+
+
+
__
_+
++
+
_
I
K
+
X
Campo
Campo eléctrico
_
intenso
X
Electrones con mayor
energía potencial generan
huecos
Potencial
V
VB
Vo
X
V >>> Vo
Diapositiva 28
FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES
DIODO ZENER COMO REGULADOR DE TENSIÓN
Carga variable
VZ = Cte. = I L RL
I
V = Cte. ⇒ I = Cte.
R=
Izmín. V
Izmáx.
R
+ IL
I
IZ
VZ
+
RL V
-
-
V
R
-
+
Si RL ↓⇒ I L ↑⇒ I Z ↓
I
IZ
+ IL
VZ
-
Vz
Si RL ↑⇒ I L ↓⇒ I Z ↑
V − VZ
I
Diapositiva 29
FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES
DIODO DE RUPTURA O DE AVALANCHA
Ejercicio 8. En un circuito regulador de tensión de acuerdo con los datos
calcular las incógnitas.
DATOS
Tensión de fuente (V)
Intensidad máx.de carga (mA)
INCOGNITAS
24,00 Intensidad máx.en el Zener (mA)
100,00 Potencia máx. disipada Zener (W)
80,00
0,96
Intensidad mín.de carga (mA)
30,00 Resistencia de regulación (óhmios)
109,09
Tensión de regulación (V)
12,00 Resistencia de carga máx. (óhmios)
400,00
Intensidad mín. del Zener(mA)
10,00 Resistencia de carga mín. (óhmios)
120,00
Diapositiva 30
FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES
DIODO ZENER COMO REGULADOR DE TENSIÓN
I
VZ = Cte. ⇒ I L = Cte.
V ≠ Cte. ⇒ I ≠ Cte.
R=
Vz
Izmín. V
R
+IL
I
IZ
VZ
+
RL V
-
-
V
Izmáx.
Si V ↓⇒ I ↓⇒ I ↓
Z
R
-
+
Si V ↑⇒ I ↑⇒ I Z ↑
V − VZ
I
I
IZ
+ IL
VZ
-
Fuente variable
Diapositiva 31
FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES
DIODO DE RUPTURA O DE AVALANCHA
Ejercicio 9. En un circuito regulador de tensión de acuerdo con los datos
calcular las incógnitas.
DATOS
Tensión de fuente mínima (V)
Tensión de fuente máxima (V)
INCOGNITAS
24,00 Resistencia de carga (óhmios)
100,00 Intensidad máx.en el Zener (mA)
Intensidad en la carga (mA)
30,00 Potencia máx. disipada Zener (W)
Tensión de regulación (V)
12,00 Resistencia de regulación (óhmios)
Intensidad mín. del Zener(mA)
3,00
400,00
212,00
2,54
363,64
Diapositiva 32
FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES
DIODO ZENER COMO REGULADOR DE TENSIÓN
Carga y fuente variables
VZ = Cte. = I L RL
V ≠ Cte. ⇒ I ≠ Cte.
R=
Vz
Izmín. V
Izmáx.
R
+ IL
I
IZ
VZ
+
RL V
-
-
V
R
-
+
Vmáx . − V Z
Vmín . − V Z
=
I Lmín . + I Zmáx . I Lmáx . + I Zmín .
I
IZ
+
IL
VZ
-
I
RL
Diapositiva 33
FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES
DIODO DE RUPTURA O DE AVALANCHA
Ejercicio 10. En un circuito regulador de tensión de acuerdo con los datos
calcular las incógnitas.
DATOS
Tensión de fuente mínima (V)
INCOGNITAS
24,00 Resistencia de regulación (óhmios)
Tensión de fuente máxima (V)
100,00 Intensidad máx.en el Zener (mA)
Intensidad máx.de carga (mA)
100,00 Potencia máx. disipada Zener (W)
109,09
776,67
9,32
Intensidad mín.de carga (mA)
30,00 Resistencia de carga máx. (óhmios)
400,00
Tensión de regulación (V)
12,00 Resistencia de carga mín. (óhmios)
120,00
Intensidad mín. del Zener(mA)
10,00
Diapositiva 34
FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES
DIODO ZENER COMO REGULADOR DE TENSIÓN
Característica con pendiente: caso general
VZ ≠ Cte.
V ≠ Cte. ⇒ I ≠ Cte.
R=
∆ Vz
V
-
V
Izmáx.
R
+ IL
I
IZ
VZ
+
RL V
-
+
R
-
Izmín.
Vmáx. − VZmáx. Vmín. − VZmín.
=
I Lmín. + I Zmáx. I Lmáx. + I Zmín.
I
IZ
+
V Z IL
-
I
r
RL
Diapositiva 35
FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES
DIODO DE RUPTURA O DE AVALANCHA
Ejercicio 11. En un circuito regulador de tensión de acuerdo con los datos
calcular las incógnitas (análisis).
DATOS
INCOGNITAS
Tensión de fuente mínima (V)
20,00 Resistencia de regulación (óhmios)
Tensión de fuente máxima (V)
25,00 Tensión de regulación máx. (V)
250,00
10,77
Tensión nominal Zener (V)
10,00 Tensión de regulación mín. (V)
10,09
Resistencia del Zener (óhmios)
17,00 Potencia máx. disipada Zener (W)
Intensidad máx.del Zener(mA)
45,00 Intensidad mín. de carga (mA)
0,48
11,94
Intensidad mín. del Zener(mA)
5,00 Resistencia de carga mín. (óhmios)
201,70
Intensidad máx.de carga(mA)
50,00 Resistencia de carga máx. (óhmios)
901,59
Diapositiva 36
FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES
DIODO DE RUPTURA O DE AVALANCHA
Ejercicio 12. En un circuito regulador de tensión de acuerdo con los datos
calcular las incógnitas (síntesis).
DATOS
INCOGNITAS
Tensión de fuente mínima (V)
20,00 Resistencia de regulación (óhmios)
Tensión de fuente máxima (V)
25,00 Intensidad máx.en el Zener (mA)
Intensidad máx.de carga (mA)
50,00 Potencia máx. disipada Zener (W)
Intensidad mín.de carga (mA)
12,00 Resistencia del Zener (óhmios)
Tensión de regulación máx.(V)
10,57 Resistencia de carga máx. (óhmios)
880,83
Tensión de regulación mín.(V)
10,10 Resistencia de carga mín. (óhmios)
202,00
Intensidad mín. del Zener(mA)
5,00 Tensión Zener (V)
180,00
68,17
0,72
7,44
10,06