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Unidad 3. Semiconductores y teoría de diodos DTE - UPCT 3.1. Conceptos básicos sobre semiconductores ¾ ¾ ¾ ¾ Estructura interna de los dispositivos electrónicos La mayoría de los sistemas electrónicos se basan en dispositivos semiconductores Resistencia: R=ρL/S Materiales sólidos: Conductores: 10-4 < ρ Ωmm2/m • Tienen una nube de electrones libres (electrones de valencia) Aislantes: ρ > 104 Ωmm2/m • Electrones de vvalencia ligados firmemente al núcleo de los átomos Semiconductores: 10-4 < ρ < 104 Ωmm2/m • A muy bajas temperaturas aislante. A temperaturas normales = conductor pobre ¾ En electrónica sólo importa el orbital exterior: orbital de valencia Electrónica - Francisco J. Ortiz 1 Unidad 3. Semiconductores y teoría de diodos DTE - UPCT 3.1. Conceptos básicos sobre semiconductores ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ Mejores conductores (Ag, Cu, Au): 1 electrón de valencia Mejores aislantes: 8 electrones de valencia Mejores semiconductores: 4 electrones de valencia Germanio (Ge), Silicio (Si), Arseniuro de Galio Enlace covalente. Cristales de silicio Los átomos de un cristal vibran a temperaturas mayores al 0 absoluto A más altas temperaturas aparecen electrones y huecos Recombinación: Electrón y hueco se unen Tiempo de vida: Entre creación y desaparición de un electrón libre Electrónica - Francisco J. Ortiz 2 Unidad 3. Semiconductores y teoría de diodos DTE - UPCT 3.1. Conceptos básicos sobre semiconductores Electrónica - Francisco J. Ortiz 3 Unidad 3. Semiconductores y teoría de diodos DTE - UPCT 3.1. Conceptos básicos sobre semiconductores Electrónica - Francisco J. Ortiz 4 Unidad 3. Semiconductores y teoría de diodos DTE - UPCT 3.1. Conceptos básicos sobre semiconductores Electrónica - Francisco J. Ortiz 5 Unidad 3. Semiconductores y teoría de diodos DTE - UPCT 3.1. Conceptos básicos sobre semiconductores ¾ Semiconductor intrínseco: Semiconductor puro ¾ Dos tipos de flujo: Flujo de electrones Flujo de huecos + - + - + - + - Electrónica - Francisco J. Ortiz 6 Unidad 3. Semiconductores y teoría de diodos DTE - UPCT 3.1. Conceptos básicos sobre semiconductores ¾ Dopado o Dopaje: Añadir deliberadamente átomos de impurezas a un cristal intrínseco para modificar su conductividad eléctrica ¾ Un semiconductor dopado se llama semiconductor extrínseco ¾ Hay dos tipos de semiconductores extrínsecos: Tipo n: se le añaden impurezas donadoras (electrones), p.ejem., P(5 e- valencia) al Si • Los electrones (portadores mayoritarios) superan a los huecos (portadores minoritarios) • Todos los átomos de aceptador ionizados (-) Tipo p: se le añaden impurezas receptoras (huecos), p.ejm., B (3evalencia) al Si • Los huecos (mayoritarios) superan a los electrones (minoritarios) • Todos los átomos de donador ionizados (+) ¾ Conductividad extrínseca: Estos semiconductores dopados presentan algo más de conductividad Electrónica - Francisco J. Ortiz 7 Unidad 3. Semiconductores y teoría de diodos DTE - UPCT 3.1. Conceptos básicos sobre semiconductores Electrónica - Francisco J. Ortiz 8 Unidad 3. Semiconductores y teoría de diodos DTE - UPCT 3.1. Conceptos básicos sobre semiconductores Electrónica - Francisco J. Ortiz 9 Unidad 3. Semiconductores y teoría de diodos DTE - UPCT 3.2. La unión pn. Polarización directa e inversa ¾ Por sí mismo un semiconductor tipo n tiene la misma utilidad que una resistencia de carbón. ¾ Pero ocurre algo distingo cuando se dopa un cristal mitad n y mitad p ¾ Representación: Signo + con círculo: átomo pentavalente Signo - electrón con el que contribuye Electrónica - Francisco J. Ortiz 10 Unidad 3. Semiconductores y teoría de diodos DTE - UPCT 3.2. La unión pn. Polarización directa e inversa ¾ Zona de deplexión y barrera de potencial Electrónica - Francisco J. Ortiz 11 Unidad 3. Semiconductores y teoría de diodos DTE - UPCT 3.2. La unión pn. Polarización directa e inversa Electrónica - Francisco J. Ortiz 12 Unidad 3. Semiconductores y teoría de diodos DTE - UPCT 3.2. La unión pn. Polarización directa e inversa Electrónica - Francisco J. Ortiz 13 Unidad 3. Semiconductores y teoría de diodos DTE - UPCT 3.2. La unión pn. Polarización directa e inversa ¾ Polarización directa Flujo de electrones libres ¾ Polarización inversa Ensanchamiento de la zona de deplexión Corriente de portadores minoritarios. La producción térmica de electrones libres y huecos en la zona de deplexión produce una corriente inversa de saturación minoritaria Corriente superficial de fugas. Producida por impurezas en la superficie del cristal e imperfecciones en su estructura interna ¾ Ruptura Si se aumenta la tensión inversa se producirá la ruptura del diodo (aprox. 50 V) Efecto avalancha. Los minoritarios chocan y hacen saltar electrones de valencia Electrónica - Francisco J. Ortiz 14 Unidad 3. Semiconductores y teoría de diodos DTE - UPCT 3.3. Características del diodo de unión Electrónica - Francisco J. Ortiz 15 Unidad 3. Semiconductores y teoría de diodos DTE - UPCT 3.3.1. Símbolo, curvas y modelos equivalentes ¾ Tipos básicos de diodos semiconductores: Diodos rectificadores • Rectificación de CA/CC Diodos de tratamiento de señal (RF) • Etapas moduladoras, demoduladoras, mezcla y limitación de señales Diodos de capacidad variable (varicap) • Sintonización de equipos de emisión/recepción Diodos Zener • Fuentes de alimentación, reguladores, limitadores y recortadores de tensión Fotodiodos • Sensores, comunicaciones, aislamiento de señal Diodos luminiscentes (LED) • Señalización, comunicaciones infrarrojas Diodos de potencia • Rectificación y tratamiento de señales eléctricas Electrónica - Francisco J. Ortiz 16 Unidad 3. Semiconductores y teoría de diodos DTE - UPCT 3.3.1. Símbolo, curvas y modelos equivalentes ¾ Circuito básico de diodo I= corriente por la unión e= carga electrónica K=Cte de Boltzmann T= temperatura absoluta n= 1 para Ge y 1.3 para Si Electrónica - Francisco J. Ortiz 17 Unidad 3. Semiconductores y teoría de diodos DTE - UPCT 3.3.1. Símbolo, curvas y modelos equivalentes ¾ Tensión Umbral Vk ¾ Varía según semiconductor Ge= 0.3 V Si = 0.7 V Schotky= 0.2 V Leds = 1.2 - 1.9 V ¾ Resistencia interna. Función del nivel de dopado y del tamaño de las zonas p y n. Suele ser menor de 1 Ω ¾ Máxima corriente continua. Según fabricante (unos 135 mA) ¾ Disipación de potencia. PD = VDID Electrónica - Francisco J. Ortiz 18 Unidad 3. Semiconductores y teoría de diodos DTE - UPCT 3.3.2 Cálculo gráfico del punto de funcionamiento ¾ Ejemplos sencillos ¾ Detección de averías ¾ Cálculo mediante recta de carga Electrónica - Francisco J. Ortiz 20 Unidad 3. Semiconductores y teoría de diodos DTE - UPCT 3.4. Cómo leer una hoja de características ¾ En cualquier hoja de características proporcionada por un fabricante DATABOOK aparecerán estos apartados: Características generales (Features) Máximos absolutos (Absolute Maximum Ratings) Especificaciones eléctricas (Electrical Specifications) Curvas características (Typical Performance Curves) ¾ Por ejemplo, para un diodo nos encontramos, entre otros: Voltaje máximo repetitivo inverso (Maximum Peak Repetitive Reverse Voltage) Voltaje eficaz máximo de alimentación (Maximum RMS Input supply voltage) Corriente máxima directa media (Maximum Average Forward Current) Corriente máxima de pico no repetitiva (Maximum Peak Surge Forward Current) Electrónica - Francisco J. Ortiz 21 Unidad 3. Semiconductores y teoría de diodos DTE - UPCT 3.4. ¿Cómo leer una hoja de características? ¾ Buena parte de esa información se utiliza sólo en diseños avanzados de circuitos ¾ La información explicada en este tema se puede encontrar en los parámetros Tensión inversa de ruptura (Peak repetitive reverse voltage) Corriente máxima de polarización directa (Average rectified current) Caída de tensión en polarización directa (Maximum forward voltage) Corriente inversa máxima (Maximum reverse current) Electrónica - Francisco J. Ortiz 22 Unidad 3. Semiconductores y teoría de diodos DTE - UPCT 3.5. Diodos Zéner Diodo Zener Electrónica - Francisco J. Ortiz 23 Unidad 3. Semiconductores y teoría de diodos DTE - UPCT 3.5. Diodos Zéner I total = I zener + I load Fuente Fuente de de tensión tensión continua continua regulada regulada con con Zener Zener Electrónica - Francisco J. Ortiz Rizado = 0 Pero menor rendimiento 24 Unidad 3. Semiconductores y teoría de diodos 3.5. Diodos Zéner DTE - UPCT Hoja de características Tensión zener e impedancia zener. Corriente zener de test. Impedancia zener y corriente zener en la zona del codo. Tensión y corriente zener en la zona inversa. Electrónica - Francisco J. Ortiz Sobrecorriente máxima. 25 Unidad 3. Semiconductores y teoría de diodos DTE - UPCT 3.6. Otros tipos de diodos ¾ La rectificación y estabilización de tenisón no es la única aplicación de los diodos ¾ Otras aplicaciones: Indicadores, señalizadores (diodos LED) Aislamiento de señales de entrada (optoacopladores) Comunicaciones por fibra óptica ¾ Diodos optoelectrónicos ¾ Diodos Schottky ¾ Varicap Electrónica - Francisco J. Ortiz 26 Unidad 3. Semiconductores y teoría de diodos DTE - UPCT 3.6. Otros tipos de diodos ¾ Dispositivos optoelectrónicos LEDs Fotodiodos Optoacopladores Diodos láser ( reproductores CD e impresoras láser) Electrónica - Francisco J. Ortiz 27
