Download Unidad 01 : Diodos Semiconductores

FACULTAD DE CIENCIAS
ESCUELA PROFESIONAL DE FÍSICA APLICADA
CURSO: CIRCUITOS ELECTRÓNICOS
AÑO ACADÉMICO: 2008 - II
Unidad 01:
Análisis de Circuitos con Diodos
Semiconductores
Tema: TEORÍA DE SEMICONDUCTORES
Prof: M.Sc. Alberto E. Cohaila Barrios
[email protected], [email protected], [email protected]
ELECTRONICA
ANALÓGICA
Señal
Cualquier
valor
tiempo
DIGITAL
Señal
Solo
2 valores
tiempo
ELECTRÓNICA ANALÓGICA
• SEMICONDUCTORES
• COMPONENTES ELECTRONICOS
• BLOQUES FUNCIONALES
SEMICONDUCTORES
El átomo
Bandas de energía
El semiconductor
La circulación de corriente
Unión P-N
El átomo
periferia
núcleo
Ne = nº electrones
Np = nº protones
•Carga del átomo
•Ne > Np
•negativo
•Ne = Np
•neutro
•Ne < Np
•positivo
•Última = órbita de valencia
•Enlaces = f(órbita de valencia)
•Distribución de electrones
•Los electrones están distribuidos en
órbitas de distinta energía
•Para pasar de una a otra un electrón ha
de absorber o liberar la siguiente energía:
•E = hv
h= constante de Plank
v = frecuencia de radiación
•Cada órbita de electrones constituye una banda
energética en la que pueden estar los electrones.
• Entre las distintas órbitas hay bandas energéticas
en las que no pueden estar los electrones.
B. conducción
Intervalo energético donde están aquellos electrones que
pueden moverse libremente
B. prohibida
•Energía que ha de adquirir un electrón de la banda de
valencia para poder moverse libremente por el material
B. valencia
Intervalo energético donde están los electrones de la
última órbita
B. conducción
•B. prohibida
B. valencia
B. conducción
•B. prohibida
B. valencia
B. conducción
B. valencia
CARACTERÍSTICAS
El semiconductor I
Ge
Histórico
Conductor o
aislante
• B. prohibida <<
• 4 de valencia
• Enlaces covalentes
Si
AsGa
Principal
Algunas
aplicaciones
específicas
Otros
Poco
usados
El semiconductor II
•Átomo de Si
•Electrón de valencia
•Enlace covalente
El semiconductor III
+ energía
•Térmica
•Luminosa
•Eléctrica
•Etc.
•RUPTURA
Par
electrón-hueco
Electrón
libre
Energía
Hueco
•Número electrones
=
•Numero de huecos
El semiconductor IV
Tipo N
Átomo con
5 electrones
de valencia
•Arsénico
•Antimonio
•Fósforo
•Etc.
Tipo P
Átomo con
3 electrones
de valencia
Nº de portadores = Nº de impurezas
•Aluminio
•Boro
•Galio
•Etc.
V+
•La circulación tiene
lugar en la banda de
conducción
=
Los conductores
V-
V+
•La circulación tiene
lugar en la banda de
valencia
V-
V+
V+
V+
V-
V-
V-
N
P
minoritarios
mayoritarios
P
N
N
P
N
P
MUCHOS
P
MUCHOS
N
P
N
P
N
Al juntarse un y un desaparecen
ambos, apareciendo la zona
despoblada
N
P
Zona
despoblada
P
N
•La barrera de
potencial se
opone al paso
de
y
•EQUILIBRIO
•Fuerza de la barrera de
potencial
•Fuerza de difusión
•Impureza
con 3
electrones
•Impureza
con 5
electrones
N
P
Los minoritarios
NO circulan
V
•Para que circulen
los portadores
mayoritarios ha de
ser V > la tensión
de la Barrera de
Potencial
N
P
Los mayoritarios
NO circulan, SE
REAGRUPAN.
D
V
•Solo hay corriente
de minoritarios
•D = f(V)
El ancho de la zona despoblada se
modifica con el valor de V
N
P
C =
*S
d
•C es la capacidad
•
es la constante dieléctrica
•S es la superficie
•d es la distancia
d
V
I
P
I
N
V
V
I = I0*(exp(V/n*VT) -1)
•VT = KT/q
•I0 = corriente inversa de saturación
•q = carga del electrón: 1,6*10-19 culombios
•K = constante de Boltzman: 1,36*10-23 J/ºK
•T = Temperatura en grados Kelvin
•n = constante empírica ( 1-germanio; 2-silicio)
COMPONENTES
DIODOS
•El diodo ideal
•Diodos reales
•El diodo de unión P-N
•El diodo zener
•El fotodiodo
•El LED
•El Optoacoplador
TRANSISTORES
•La función transistor
•El transistor bipolar
•Transistores de efecto de campo
-JFET
-MOSFET
I
POLARIZACIÓN DIRECTA
•R = 0
•Puede circular cualquier corriente
V
Símbolo
POLARIZACIÓN INVERSA
V
8
•R =
•No hay corriente
I
Diodo de vacío
OTROS DIODOS
•De Gas
•De Selenio
•De Óxido de cobre
•De Puntas de contacto
•De Unión P-N
Símbolo
P
I
N
V
I
V
I
I
VR = Tensión de ruptura
VR
V
VC
V
VC = 0,7 en el Si
I
Símbolo
VZ = Tensión de funcionamiento
V
VZ
V
I
Izmáx
•El diodo zener está diseñado para trabajar en la zona de ruptura, siempre que no
se sobrepase su intensidad máxima.
•Existen en el mercado diodos zener con diversas tensiones de funcionamiento.
Circuito típico de regulación con zener
I
Rs
VZ
V
V
VZ
RL
Izmáx
•El zener impide que la tensión en la resistencia de carga RL supere el valor de su
tensión nominal.
•El zener no puede impedir que la tensión baje por debajo de su tensión nominal.
•La regulación la consigue absorbiendo más o menos corriente, en función de las
características del circuito. La diferencia de tensión entre la alimentación y la carga se
va a RS
Símbolo
Circuito típico
con fotodiodo
RL
I
I
V
Luz
V
Luz
•En polarización directa se comporta como un diodo normal.
•En polarización inversa sólo conduce cuando le incide luz.
•Al incidir la luz se rompen muchos enlaces y por tanto se incrementa el número de
minoritarios que son los responsables de la corriente inversa.
Light Emitting Diode
RL
Símbolo
I
V
Display de 7 segmentos
Circuito típico
con LED
RL
RL
I
I
V
•La ventaja fundamental de un optoacoplador es el
aislamiento eléctrico entre el circuito de entrada y el de
salida.
•El único contacto que hay es un haz de luz.
V
3 terminales
salida
entrada
•Amplifica la señal de entrada
•Se usa tanto en analógica
como en digital
•Actúa como un interruptor
•Se usa en electrónica digital
(ordenadores, etc)
Estructura
E
N
P
N
NPN
C
PNP
E
Estructura
P
C
C
C
Símbolo
E
P
B
B
B
N
Símbolo
B
E
•El transistor bipolar sustituyó con éxito a las válvulas de vacío.
•Sus principales ventajas son: más pequeño, más barato, más fiable, menos consumo y mayor
tiempo de vida.
•Ha sido desplazado por los FET en la mayor parte de las aplicaciones de electrónica digital,
pero sigue siendo competitivo en amplificación y en alta velocidad de conmutación.
E
aislante
N
P
B
aislante
N
C
aislante
•Al estar polarizada directamente la unión B-E, el E
inyecta electrones libres en la
base.
•Al llegar los electrones del E
a la B son arrastrados, la mayoría, al C, debido a la polarización inversa de la unión CB y a que la base es estrecha y
está poco dopada. Solo unos
pocos forman la corriente de
B-E, mucho más pequeña que
la de E-C.
•En definitiva la polarización
B-E, gobierna la corriente entre E-C.
•La relación entre las corrientes de B y C determinan la ganancia del transistor.
•Existen en el transistor otras
corrientes menos importantes
que no están reflejadas en este
gráfico.
• Aplicando la 1ª ley de Kirchoff al transistor
obtenemos:
IE = IB + IC
C
IC
• El transistor tiene un comportamiento no lineal.
Existen varios modelos para describir la relación
entre las tensiones y corrientes que circulan por él.
El más usado es el de Everst-Mole:
IC = ßIB + (1 + ß)IC0
IB
• Normalmente IC0 es despreciable con lo que la
ecuación anterior se simplifica:
B
IE
E
IC ßIB
• Por otra parte como ß siempre es mayor de 10 se
deduce que IB es despreciable frente a IC, por lo
que:
IE
IC
Circuito típico de amplificación
con un transistor
CURVAS DE SALIDA
VCC
IC
IB1
IB2
IB3
IB4
IB5
IB6
IB7
VCE
• El transistor bipolar es un dispositivo no lineal. Pero cuando trabaja en pequeña señal su comportamiento es
aproximadamente lineal.
• Existen diversos circuitos que representan bien el comportamiento lineal del transistor, los cuales permiten
resolver los circuitos con transistores mediante la Teoría de Circuitos.
• Uno de los más usados es el modelo simplificado de parámetros H en emisor común, que se representa a
continuación:
C
IC
B
IB
C
B
IE
E
E
FET: Field Effect Transistor
Canal n
JFET
Canal p
FET
Canal n
acumulación
Canal p
MOSFET
despoblamiento
Canal n
Canal p
•El FET es un dispositivo controlado en V
•Se denominan transistores unipolares porque tienen un solo portador de carga
•Tienen una gran impedancia de entrada
•Producen poco ruido
•Ocupan poco espacio
•Tienen problemas a altas frecuencias
D
D
Canal N
Canal P
D
G
G
D
G
G
N
P
P
P
S
S
N
N
S
S
D
•El JFET, al contrario que el bipolar, tiene la unión G-S
polarizada en inverso. Esto determina que la corriente de
entrada sea mucho más pequeña. Es tanto como decir que es
un dispositivo con una gran impedancia de entrada.
•El surtidor emite los portadores de carga y el drenador los
recibe.
•La polarización inversa de puerta permite hacer el canal más
ancho o más estrecho.
G
S
Acumulación
conductor
S
G
D
aislante
D
Canal N
N
G
N
S
P
D
Canal P
G
S
• En el Mosfet de acumulación no existe inicialmente
canal. Este se crea mediante la polarización de
puerta surtidor. En el de canal N esta polarización es
positiva y en el de canal P es negativa.
Despoblamiento
conductor
S
G
D
aislante
D
Canal N
N
G
N
S
P
D
Canal P
G
S
• En el Mosfet de despoblamiento existe canal inicial.
Esto permite dos tipos de polarización en puerta (+ y
- ). Con polarización positiva se incrementa el canal.
Con polarización negativa se disminuye.
•Rectificadores
•Filtros
•Amplificadores
•Realimentación
•Operacional
•Generadores de señal
Circuitos electrónicos
¿Por qué?
C.C.
C.A.
Es preciso
convertir
C.A./C.C.
Alimentación
de red
Circuitos
electrónicos
¿Cómo?
V
125/220
t
Red
Transformador
t
Rectificador
variación
variación
V
V
V
t
Filtro
V
t
t
Regulador
Circuitos electrónicos
Rectificador
Media Onda
v
v
t
v
Onda Completa
t
Poco interés
práctico
t
v
Son los que
se usan en
la práctica
t
Circuitos electrónicos
Rectificador de media onda
V
125/220
V
V
t
t
t
125/220
+
-
En el semiciclo
positivo si hay
corriente
125/220
+
-
En el semiciclo
negativo no hay
corriente
Circuitos electrónicos
Rectificador de onda completa
V
125/220
V
V
t
125/220
t
t
~
+
~
-
Puente de
diodos
El puente de diodos está constituido por cuatro diodos encapsulados juntos.
El transformador deberá tener la relación de transformación adecuada a la
tensión continua que se desee.
Circuitos electrónicos
Filtros
=
Son circuitos electrónicos
que permiten seleccionar,
atenuar o eliminar señales
de una determinada
frecuencia.
Esto se consigue usando
componentes cuya respuesta
sea función de la frecuencia
1
ZC= jwC
ZL=jwL
Ejemplos
Circuitos electrónicos
Tipos Básicos de Filtros
R
R
1
1
Filtro Paso Bajo
fC
t
R
fC
t
fC
t
R
1
1
Filtro Paso Alto
fC
t
R
R
1
1
Filtro Paso Banda
fC1
fC2
t
fC1
fC2
t
Circuitos electrónicos
CUESTIÓN PREVIA
Se
R
SS = Se * R
Cuando una señal pasa por un circuito, la señal de
salida se obtiene multiplicando la señal de entrada
por la función de transferencia o respuesta del
circuito.
Circuitos electrónicos
¿Cómo actúa un filtro?
Sa ( f < f C )
R
Paso Bajo
Sa ( f < fC )* 1 = Sa ( f < fC )
1
Sb ( f > fC )* 0 = 0
Sb ( f > f C )
fC
Sa ( f < f C )
t
Paso Alto
R
Sa ( f < fC )* 0 = 0
1
Sb ( f > fC )* 1 = Sb ( f > fC )
Sb ( f > f C )
fC
Sa ( f < fC1 )
Sb (fC1 < f < fC2 )
Sc ( f > fC2 )
R
t
Sa ( f < fC1 )* 0 = 0
Paso Banda
1
Sb (fC1 < f < fC2 )* 1 = Sb (fC1 < f < fC2 )
fC1
fC2
t
Sc ( f > fC2 ) )* 0 = 0
Circuitos electrónicos
Descomposición de señales
Fourier
=
Series
Transformada
V
V
t
t
Cualquier señal
se puede
descomponer en la
suma de una señal
continua y un
conjunto de señales
senoidales
Circuitos electrónicos
Ejemplo de descomposición de una señal periódica
V
t
=
+
V
t
+
V
t
+
V
t
+
V
t
Circuitos electrónicos
Filtros + Descomposición de Señales
Extraer una señal
de una determinada
frecuencia.
V
t
Señal Teórica
V
t
F. Paso-bajo
Rectificador
Señal Real
V
t
Circuitos electrónicos
Filtros + Descomposición de Señales
Modificar las
características
de una señal.
V
Filtro
Paso-Alto
t
V
t
Filtro
Paso-Bajo
V
t
Circuitos electrónicos
Esquema Básico
Señal de
Entrada
VóI
Se
A
SS
GANANCIA
A
GV Ganancia en tensión
GI Ganancia en intensidad
Señal de
Salida
VóI
SS= A · Se
Circuitos electrónicos
Esquema Básico
Otros Parámetros
Importantes
Ze
A
ZS
Ze - Impedancia de entrada
Zs - Impedancia de salida
Los amplificadores son circuitos básicos en la transmisión
de señales electrónicas, pues permiten elevar el nivel de las
mismas, bien para transmitirlas o bien para recuperar
señales con unos niveles muy bajos de tensión.
Circuitos electrónicos
Cadena de Amplificación
Transductor
de entrada
A1
A2
Transductor
de salida
Pueden colocarse tantos amplificadores como sea necesario
Aunque la señal que manejan los amplificadores es electrónica,
las señales inicial y final pueden ser cualquier tipo de señal física
(presión, temperatura, humedad, óptica, etc.). Los transductores
se encargan de hacer las correspondientes conversiones. Esto
permite usar la electrónica en el procesamiento de cualquier
magnitud física.
Circuitos electrónicos
Adaptación de impedancias
Transductor
de entrada
A1
A2
Zs1
Ze2
Zs1 = Ze2
Transductor
de salida
Circuitos electrónicos
Concepto
Consiste en combinar una muestra de la señal de
salida de un proceso con la entrada, para modificar
las características del proceso en la forma deseada
Circuitos electrónicos
Ejemplo de Sistema Realimentado
3º piso Mando a
distancia
GRUA
Posición de
la carretilla
La señal de salida viene
dada por la posición de
la carretilla. La señal de
entrada está determinada
por el piso al que se
desea subir la carretilla.
El operario, con su vista,
compara ambas señales y
si no coinciden, actúa
sobre el mando a distancia
hasta hacerlas coincidir.
Circuitos electrónicos
Circuito Básico
MEZCLADOR
DE SEÑALES
AMPLIFICADOR
A
+
-
B
RED DE
REALIMENTACIÓN
Circuitos electrónicos
Análisis
Ss = Se’ · A
Se’ = Se - B * Ss
Se
A
+
Ss
Ss = (Se - B·Ss) ·A
-
B
=
B * Ss
Ss
A
=
1 +A· B
Se
Característica de
transferencia del sistema Ar
Circuitos electrónicos
Tipos de Realimentación
NEGATIVA
Ar < A
Circuitos electrónicos
Tipos de Realimentación
POSITIVA
Ar > A
Esta Realimentación favorece los cambios bruscos
El sistema es muy inestable
Interesa cuando se desean obtener transiciones muy
bruscas de una señal, como por ejemplo al generar una
V
onda cuadrada:
t
Circuitos electrónicos
Tipos de Realimentación
OSCILADORES
Ar = A
El sistema puede proporcionar una señal de salida sin
tener señal de entrada
Interesa esta realimentación para los generadores de
señal. Se usa en los osciladores.
Ss
=
Se
Ss = 0
Ss = 
Circuitos electrónicos
Amplificador Operacional
V1
V2
+Vcc
-
V0
+
-Vcc
Ref
+Vcc
V1-V2
-Vcc
Circuitos electrónicos
Usos del Amplificador Operacional
R2
R1
Ve
-
i1
Ve
i2
+
-
Ve= -R1·i1
Vs= -R2·i2
Vs
R2
i1=i2
Vs -R2
=
Ve R1
Vs
+Vcc
Ve
+
Vs
-Vcc
Circuitos electrónicos
Tipos de Generadores
Señal de entrada
V
Oscilador
t
Señal de salida
senoidal
Circuitos electrónicos
Multivibradores
Aestable
V
t
El circuito bascula solo del nivel bajo
al alto, y viceversa.
Pueden regularse los tiempos en ambos
estados.
No tiene ningún estado estable.
Circuitos electrónicos
Multivibradores
Monoestable
V
t
Señales de Cambio
El circuito sólo cambia de un estado al
otro.
Para salir del segundo estado precisa
una señal externa.
Tiene un solo estado estable.
Circuitos electrónicos
Multivibradores
Biestable
V
t
Señales de Cambio
Para salir de cualquiera de los dos
estados precisa una señal externa.
Tiene dos estados estables.