Unidad 01: Análisis de Circuitos con Diodos Semiconductores

ESCUELA PROFESIONAL DE FÍSICA APLICADA

FACULTAD DE CIENCIASFACULTAD DE CIENCIAS

acohailab@unjbg.edu.pe, acohailab@hotmail.com, acohailab@speedy.com.pe

Prof: M.Sc. Alberto E. Cohaila Barrios

Tema: TEORÍA DE SEMICONDUCTORES

CURSO: CIRCUITOS ELECTRÓNICOSAÑO ACADÉMICO: 2008 - II

ELECTRONICAELECTRONICA

ANALÓGICA DIGITAL

tiempo

Señal

tiempo

Señal Solo 2 valores

Cualquier valor

ELECTRÓNICA ANALÓGICA

• SEMICONDUCTORES

• COMPONENTES ELECTRONICOS

• BLOQUES FUNCIONALES

SEMICONDUCTORES

Unión P-N

El átomo

Bandas de energía

El semiconductor

La circulación de corriente

El átomoEl átomo

Np = nº protones

núcleoNe = nº electrones

periferia

•Última = órbita de valencia•Enlaces = f(órbita de valencia)

•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

•Ne > Np

•Ne = Np

•Ne < Np •positivo

•neutro

•negativo

•Carga del átomo

•Distribución de electrones

•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.

•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

B. prohibida

B. valencia Intervalo energético donde están los electrones de la última órbita

•Energía que ha de adquirir un electrón de la banda de valencia para poder moverse libremente por el material

Intervalo energético donde están aquellos electrones que pueden moverse libremente

B. conducción

•B. prohibida

B. valenciaB. conducción

B. valencia

B. conducción

•B. prohibida

B. valencia

El semiconductor I• B. prohibida <<

• 4 de valencia

• Enlaces covalentes

Conductor oaislante

CARACTERÍSTICAS

GeSi

AsGa Otros

Histórico PrincipalAlgunasaplicacionesespecíficas

Pocousados

El semiconductor II

•Átomo de Si

•Electrón de valencia

•Enlace covalente

El semiconductor III

+ energía

•Térmica•Luminosa•Eléctrica•Etc.

•Número electrones

=•Numero de huecosElectrón

libreHueco

Parelectrón-hueco

•RUPTURA

Energía

El semiconductor IV

•Arsénico•Antimonio•Fósforo•Etc.

Átomo con 5 electrones de valencia

•Aluminio•Boro•Galio•Etc.

Átomo con 3 electrones de valencia

Tipo NTipo N Tipo PTipo P

Nº de portadores = Nº de impurezas

•La circulación tiene lugar en la banda de conducción

=Los conductores

•La circulación tiene lugar en la banda de conducción

=Los conductores

V+

V-

•La circulación tiene lugar en la banda de valencia

•La circulación tiene lugar en la banda de valencia

V+

V-

V+ V+V+

V- V- V-

P N

P N

mayoritarios

minoritarios

MUCHOS

P N P N

MUCHOS

P NP N

Al juntarse un y un desaparecen ambos, apareciendo la zona

despoblada

P N

P N

Zona

despo-blada

•Fuerza de la barrera de potencial

•Fuerza de difusión

P N

•La barrera de potencial se opone al paso de y

•Impureza con 3 electrones

•Impureza con 5 electrones

•EQUILIBRIO

Los Los minoritarios minoritarios NO circulanNO circulan

P N

V

•Para que circulen los portadores mayoritarios ha de ser V > la tensión de la Barrera de Potencial

Los Los mayoritarios mayoritarios NO circulan, NO circulan, SE SE REAGRUPAN.REAGRUPAN.

•Solo hay corriente de minoritarios•D = f(V)

P N

V

D

P N

V

d

C = * S

d

•C es la capacidad• es la constante dieléctrica•S es la superficie•d es la distancia

El ancho de la zona despoblada se El ancho de la zona despoblada se modifica con el valor de Vmodifica con el valor de V

P

V

N

I

I

VI = 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

•El diodo ideal•Diodos reales•El diodo de unión P-N•El diodo zener•El fotodiodo•El LED•El Optoacoplador

•La función transistor•El transistor bipolar•Transistores de efecto de campo

-JFET-MOSFET

DIODOS TRANSISTORES

I

V

I

V

Símbolo

POLARIZACIÓN DIRECTA

•R = 0•Puede circular cualquier corriente

POLARIZACIÓN INVERSA

•R = •No hay corriente

8

OTROS DIODOS

•De Gas•De Selenio•De Óxido de cobre•De Puntas de contacto•De Unión P-N

Diodo de vacío

I

V

I

V

SímboloP

V

N

I

V

I

VR

VC

VC = 0,7 en el Si

VR = Tensión de ruptura

Curva realCurva realAproximaciónAproximación

V

I

VZ

VZ = Tensión de funcionamiento

AproximaciónAproximación

Izmáx

Zona de funcionamient

o

I

V

Símbolo

•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

VZV

Rs

RL

•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

V

I

VZ

Izmáx

•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.

Símbolo

Circuito típico con fotodiodo

V

RL

I

I

V

LuzLuz

Símbolo

Circuito típico con LED

V

RL

I

Display de 7 segmentosDisplay de 7 segmentos

Light Emitting Diode

V

RL

IV

RL

I

•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.

•Actúa como un interruptor•Se usa en electrónica digital (ordenadores, etc)

•Amplifica la señal de entrada•Se usa tanto en analógica como en digital

entrada

salida

3 terminales

NN PE

B

C

Símbolo

Estructura

E

B

C

N PPE

B

C

Símbolo

Estructura

E

B

C

NPN PNP

•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 B

C

NPN

•Al estar polarizada directa-mente la unión B-E, el E inyecta electrones libres en la base.•Al llegar los electrones del E a la B son arrastrados, la ma-yoría, al C, debido a la polari-zación inversa de la unión C-B 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 en-tre E-C.•La relación entre las corrien-tes de B y C determinan la ga-nancia del transistor.•Existen en el transistor otras corrientes menos importantes que no están reflejadas en este gráfico.

aislante aislante aislante

E

B

CIC

IB

IE

• Aplicando la 1ª ley de Kirchoff al transistor obtenemos:

IE = IB + 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

• Normalmente IC0 es despreciable con lo que la ecuación anterior se simplifica:

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

ICC

VCECE

IB7B7

IB6B6

IB5B5

IB4B4

IB3B3

IB2B2

IB1B1

VCC

CURVAS DE SALIDA

Circuito típico de amplificación con un transistor

E

B

C IC

IB

IE

E

B C

• 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:

FET: Field Effect Transistor

FET

JFET

MOSFET

Canal n

Canal n

Canal n

Canal p

Canal p

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

acumulación

despoblamiento

G

D

S

N

P PS

G

D

Canal N

G

D

S

P

N NS

G

D

Canal P

G

D

S

•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.

Acumulación

S DG

N N

P

aislanteconductor

S

S

D

D

G

G

Canal N

Canal P • 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

S DG

N N

P

aislanteconductor

S

S

D

D

G

G

Canal N

Canal P • 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

¿Por qué?

V125/220

t

V

t

V

t

V

t

variaciónV

t

variación

Alimentaciónde red

Es preciso convertirC.A./C.C.

Circuitoselectrónicos

¿Cómo?

C.A.C.C.

Red Transformador Rectificador Filtro Regulador

Circuitos electrónicos

Rectificador

v

t

Circuitos electrónicos

v

t

v

t

v

t

Media Onda

Onda CompletaSon los que se usan enla práctica

Poco interés práctico

En el semiciclopositivo si hay

corriente

En el semiciclonegativo no hay

corriente

V125/220

t

V

t

V

t

Rectificador de media onda

+-

+-

125/220

125/220

Circuitos electrónicos

El puente de diodos está constituido por cuatro diodos encapsulados juntos.El transformador deberá tener la relación de transformación adecuada a latensión continua que se desee.

V125/220

t

V

t

Rectificador de onda completa

Circuitos electrónicos

V

t

125/220 Puente dediodos

~

~ +

-

Filtros

Circuitos electrónicos

Son circuitos electrónicosque permiten seleccionar,atenuar o eliminar señales

de una determinadafrecuencia.

=

Esto se consigue usandocomponentes cuya respuestasea función de la frecuencia

ZC=1

jCZL=jL

Ejemplos

Tipos Básicos de Filtros

Circuitos electrónicos

1

t

R

fC2 fC1

1

t

R

fC2 fC1

Filtro Paso Banda

1

t

R

fC

1

t

R

fC

Filtro Paso Alto

1

t

R

fC

1

t

R

fC

Filtro Paso Bajo

CUESTIÓN PREVIA

Circuitos electrónicos

RSe SS = Se * R

Cuando una señal pasa por un circuito, la señal desalida se obtiene multiplicando la señal de entradapor la función de transferencia o respuesta delcircuito.

¿Cómo actúa un filtro?

Circuitos electrónicos

Paso Banda

1

t

R

fC2 fC1

Paso Alto

1

t

R

fC

Paso Bajo

1

t

R

fC

Sa ( f < fC1 )

Sb (fC1 < f < fC2 )

Sc ( f > fC2 )

Sa ( f < fC )

Sb ( f > fC )

Sa ( f < fC )

Sb ( f > fC )

Sa ( f < fC1 )* 0 = 0

Sb (fC1 < f < fC2 )* 1 = Sb (fC1 < f < fC2 )

Sc ( f > fC2 ) )* 0 = 0

Sa ( f < fC )* 0 = 0

Sb ( f > fC )* 1 = Sb ( f > fC )

Sa ( f < fC )* 1 = Sa ( f < fC )

Sb ( f > fC )* 0 = 0

Descomposición de señales

Circuitos electrónicos

Cualquier señalse puede

descomponer en lasuma de una señalcontinua y un

conjunto de señalessenoidales

V

t

Fourier

Series Transformada=

V

t

Ejemplo de descomposición de una señal periódica

Circuitos electrónicos

=

V

t

V

t

V

t

V

t

V

t

++ + +

Filtros + Descomposición de Señales

Circuitos electrónicos

V

t

RectificadorF. Paso-bajo

V

t

Señal Teórica

V

t

Señal Real

Extraer una señalde una determinada

frecuencia.

Filtros + Descomposición de Señales

Circuitos electrónicos

t

V

t

VFiltro

Paso-Alto

FiltroPaso-Bajo

Modificar las características de una señal.

t

V

SS= A · Se

GV Ganancia en tensiónGI Ganancia en intensidad

GV Ganancia en tensiónGI Ganancia en intensidad

Esquema Básico

Circuitos electrónicos

Se SSA

Señal deEntrada

V ó I

Señal deSalidaV ó I

GANANCIAGANANCIA

AA

Ze - Impedancia de entradaZs - Impedancia de salida

Esquema Básico

Circuitos electrónicos

Ze ZSA

Otros ParámetrosImportantes

Otros ParámetrosImportantes

Los amplificadores son circuitos básicos en la transmisiónde señales electrónicas, pues permiten elevar el nivel de las

mismas, bien para transmitirlas o bien para recuperarseñales con unos niveles muy bajos de tensión.

Cadena de Amplificación

Circuitos electrónicos

Transductorde entrada

Transductorde entrada

A1A1 A2A2Transductor

de salidaTransductor

de salida

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 transductoresse encargan de hacer las correspondientes conversiones. Estopermite usar la electrónica en el procesamiento de cualquiermagnitud física.

Pueden colocarse tantos ampli-ficadores como sea necesario

Pueden colocarse tantos ampli-ficadores como sea necesario

Adaptación de impedancias

Circuitos electrónicos

Transductorde entrada

Transductorde entrada

A1A1 A2A2Transductor

de salidaTransductor

de salida

Zs1 Ze2

Zs1 = Ze2

Concepto

Circuitos electrónicos

Consiste en combinar una muestra de la señal desalida de un proceso con la entrada, para modificarlas características del proceso en la forma deseada

Ejemplo de Sistema Realimentado

Circuitos electrónicos

Mando adistancia GRUA Posición de

la carretilla

3º piso

La señal de salida vienedada por la posición dela carretilla. La señal de

entrada está determinadapor el piso al que se

desea subir la carretilla.El operario, con su vista,compara ambas señales y

si no coinciden, actúasobre el mando a distanciahasta hacerlas coincidir.

Circuito Básico

Circuitos electrónicos

B

+-

A

MEZCLADORDE SEÑALES AMPLIFICADOR

RED DEREALIMENTACIÓN

Análisis

Circuitos electrónicos

B

+-

A

Se’ = Se - B * Ss

B * Ss

SeSs

Ss = Se’ · A

Ss = (Se - B·Ss) ·A

A1 + A · B

Ss

Se=

Característica detransferencia del sistema Ar

=

Tipos de Realimentación

Circuitos electrónicos

NEGATIVA Ar < A

Tipos de Realimentación

Circuitos electrónicos

POSITIVA Ar > A

Esta Realimentación favorece los cambios bruscos

El sistema es muy inestable

Interesa cuando se desean obtener transiciones muybruscas de una señal, como por ejemplo al generar unaonda cuadrada: V

t

Tipos de Realimentación

Circuitos electrónicos

OSCILADORES Ar = A

El sistema puede proporcionar una señal de salida sintener señal de entradaInteresa esta realimentación para los generadores deseñal. Se usa en los osciladores.

Ss =Ss = 0

=Ss

Se

Amplificador Operacional

Circuitos electrónicos

-Vcc

+Vcc

V1-V2

-

+

+Vcc

-Vcc

V1

V2 V0

Ref

Usos del Amplificador Operacional

Circuitos electrónicos

Ve= -R1·i1

Vs= -R2·i2

Vs

Ve=

-R2

R1i1=i2

R1R2

i1

i2

Ve Vs

-

+

R2

Vs

-

+Ve

-Vcc

+VccVe

Vs

Tipos de Generadores

Circuitos electrónicos

Señal de entrada

OsciladorV

t

Señal de salidasenoidal

Multivibradores

Circuitos electrónicos

Aestable

V

t

El circuito bascula solo del nivel bajoal alto, y viceversa.Pueden regularse los tiempos en ambos estados.No tiene ningún estado estable.

Multivibradores

Circuitos electrónicos

V

t

El circuito sólo cambia de un estado alotro.Para salir del segundo estado precisauna señal externa.Tiene un solo estado estable.

Monoestable

Señales de Cambio

Multivibradores

Circuitos electrónicos

V

t

Para salir de cualquiera de los dosestados precisa una señal externa.Tiene dos estados estables.

Biestable

Señales de Cambio