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Tema 3. Electrónica de semiconductores

Andrés Iborra García Departamento de Tecnología Electrónica

Sep>embre 2012

Índice

Electrónica Industrial 2

Índi

ce

1.   Física de semiconductores. 1.1. Materiales semiconductores.

1.2. La unión PN.

2. Diodos semiconductores. 2.1 Polarización.

2.2 Caracterís>ca de salida.

2.3 Análisis de circuitos mediante la recta de carga.

2.4 Niveles de resistencia.

2.5 Circuitos equivalentes.

2.6 Análisis de circuitos mediante circuitos equivalentes. 2.7 Capacitancia del diodo.

2.8 Tiempo de recuperación inversa.

2.9 Hojas de especificaciones.

2.10 Encapsulado.

2.11 Prueba de diodos.

2.12 Otros >pos de diodos.

Índice


Índi

ce

3. Aplicaciones de los diodos. 3.1 Implementación de puertas lógicas.

3.2 Rec>ficadores.

3.3 Recortadores.

3.4 Cambiadores de nivel.

3.5 Reguladores de tensión.

4. Transistor bipolar de unión. 4.1 La estructura del transistor bipolar. 4.2 Comportamiento del BJT. 4.3 Configuraciones. 4.4 Parámetros característicos.

4.5 Curvas características del BJT. 4.6 Hojas de características. 4.7 Aplicaciones. 4.9 El fototransistor. 4.10 Optoacopladores. 4.11 Encapsulados.

Índice


Índi

ce 5. Transistores de efecto de campo.

5.1 Introducción.

5.2 JFET

5.2.1 JFET de canal n.

5.2.2 JFT de canal p.

5.2.3 Caracterís>ca de transferencia.

5.2.4 Hojas de caracteris>cas.

5.3 MOSFET de deplexión.

5.3.1 MOSFET de deplexión canal n.

5.3.2 MOSFET de deplexión canal p.

5.3.3 Simbología. 5.3.4 Hojas de caracterís>cas.

5.4 MOSFET de acumulación.

5.4.1 MOSFET de acumulción canal n.

5.4.2 MOSFET de acumulción canal p.

5.4.3 Simbología.

5.4.4 Hojas de caracterís>cas.

5.5 Manipulación de los MOSFET.

5.6 Tabla resumen.

5.7. Otros transistores MOSFET.

5

Física de semiconductores

Electrónica Industrial

•  Interruptores •  Pulsadores •  Potenciómetros •  LDRs •  Fotocélulas •  Encoders

• Galgas extensom •  Termopares •  Acelerómetros • MEMs

SENSORES •  Solenoides, relés, piezoeléctricos • Motores de con>nua • Motores paso a paso •  Servomotores •  Disposi>vos hidráulicos y neumá>cos.

ACTUADORES

•  Circuitos discretos •  Amplificadores

•  Filtros •  A/D

ACONDICIONADORES DE SEÑALES DE

ENTRADA E INTERFACES

•  Combinacionales •  Secuenciales •  μP •  μC

• Memorias •  SoC •  Comunicaciones •  Sobware

SISTEMAS DE CONTROL DIGITAL

•  D/A •  Amplificadores •  PWM

•  Transistores de potencia

ACONDICIONADORES DE SEÑALES DE SALIDA

E INTERFACES •  LEDs •  Displays •  LCD

•  CRT •  TFT

VISUALIZADORES

Sistemas mecánico Semiconductores discretos Semiconductores integrados

6



•  La conduc>vidad de los materiales depende del número de electrones de valencia (electrones que giran en torno al átomo en la orbita exterior).

•  Cuantos más electrones de valencia mayor resistencia a la conducción.

•  Los materiales tetravalentes son materiales semiconductores.

•  Los materiales más usados en la fabricación de semiconductores son el Si y el Ge.

Materiales semiconductores (I)

4 Electrones de valencia

Si +14

Ge +32

7



•  Los átomos se unen entre sí compar>endo electrones de valencia con los átomos vecinos. •  Los electrones compar>dos >enen una influencia estabilizadora en el núcleo de los átomos.

Electrones compar>dos

Electrones de valencia

Materiales semiconductores (II) Semiconductores intrínsecos

8



•  El silicio puro es un material inerte que conduce con mucha dificultad.

•  La mejora de la conduc>vidad del silicio se consigue añadiendo en el silicio fundido pequeñas can>dades de impurezas en un proceso que es conocido como dopaje.

•  Hay dos >pos de materiales semiconductores extrínsecos: n y p. ��

Materiales semiconductores (III) Semiconductores extrínsecos

9



Si dopamos el silicio (o germanio) con impurezas pentavalentes (Sb, As, P) obtenemos un semiconductor tipo n.

Material ?po n

Electrones compar>dos

Electrones de valencia

Impurezas de

An>monio

5º Electrón de valencia (electrón libre)

Materiales semiconductores (IV)

10



Material ?po p

Hueco

Impurezas de Boro

Materiales semiconductores (V)

Si dopamos el silicio (o germanio) con impurezas trivalentes (Ga, Al, In, B) obtenemos un semiconductor tipo p.

11



Flujo de huecos en un material p

Flujo de electrones

Flujo de Huecos

Materiales semiconductores (VI)

El flujo de huecos se debe a electrones de valencia que adquieren la suficiente energía para ocupar un hueco próximo.

12



Portadores mayoritarios (electrones libres + electrones generados

térmicamente o luminosamente)

Portadores minoritarios (huecos debidos a electrones del material intrínseco que adquieren energía debida a fuentes térmicas o luminosas)

Iones Donadores (átomos pentavalentes que han perdido un electrón)

Iones aceptadores (átomos trivalentes que han aceptado un electrón)

Portadores minoritarios (electrones generados térmicamente o luminos.)

Portadores mayoritarios (huecos por impurezas +

huecos generados térmicamente o lum.)

Material ?po n

Material ?po p

Materiales semiconductores (VII) Portadores mayoritarios y minoritarios

13



•  En el momento que los dos materiales (p y n) se unan los electrones y huecos en la región de unión se recombinan, originándose una carencia de portadores en esta región.

El resultado es la formación de una región de deplexión o agotamiento alrededor de la unión. Solo hay iones nega>vos y posi>vos.

•  Un extremo de un cristal de silicio o germanio puede ser dopado con impurezas >po p y el otro con impurezas >po n. El resultado es una unión p-‐n o diodo.

La unión p-‐n

14

Diodos semiconductores





ACTUADORES

•  Circuitos discretos •  Amplificadores








•  Transistores de potencia




VISUALIZADORES

Sistemas mecánico

15



Un diodo admite tres modos de funcionamiento: •  Sin polarización. •  Polarización directa. •  Polarización inversa.

•  No se aplica ningún voltaje externo: VD = 0V •  No circula corriente: ID = 0A •  Solamente existe una modesta capa de

deplexión

Sin polarización

Polarización del diodo (I)

16



Se aplica un voltaje nega>vo a la unión p-‐n.

Polarización inversa

•  Los electrones en el material >po n son atraídos hacia el terminal posi>vo.

•  Los huecos en el material >po p son atraídos hacia el terminal nega>vo.

•  Todo esto hace que la región de deplexión aumente, se establezca una barrera de potencial que de>ene a los portadores mayoritarios, y el flujo de corriente sólo de debe a portadores minoritarios.

Polarización del diodo (II)

Región de deplexión aumenta

I mayoritarios = 0 Flujo de portadores minoritarios

17



Polarización directa

Se aplica un voltaje posi>vo a la unión p-‐n.

•  El voltaje directo estrecha la zona de deplexión.

•  Los electrones y huecos >enen la suficiente energía como para atravesar la unión.

Polarización del diodo (III) No se puede mostrar la imagen. Puede que su equipo no tenga suficiente memoria para abrir la imagen o que ésta esté dañada. Reinicie el equipo y, a continuación, abra el archivo de nuevo. Si sigue apareciendo la x roja, puede que tenga que borrar la imagen e insertarla de nuevo.

Región de deplexión

Mayorit Imayorit

18



Ecuación de Shockley

donde IS = Corriente de saturación inversa. k = 11600/η, η =1 para el Ge, η =2 para el Si para niveles de corriente del diodo rela>vamente bajos, η=1 para el Si para niveles de corriente del diodo mayores (zona de crecimiento rápido)

TK=TC+273

Es posible demostrar mediante el empleo de la usica del estado sólido que la caracterís>ca de salida de un diodo semiconductor se pueden obtener mediante la siguiente ecuación (tanto para la región de polarización directa como para la inversa):

Polarización del diodo (IV)

ID = IS (ek.VD /TK −1)

19



Caracterís>ca de salida(I)

ID = IS (ek.VD /TK −1)

20



•  La zona Zener se encuentra en la zona de polarización inversa.

•  En un punto el voltaje inverso de polarización se hace tan grande que se produce la ruptura del diodo y la corriente se incrementa dramá>camente.

•  Este voltaje máximo se conoce como tensión zener o voltaje de avalancha.

•  A la corriente se le conoce como corriente de avalancha.

Caracterís>ca de salida(II)

Zona Zener

21



Caracterís>ca de salida(III)

Dependencia respecto al material

22



•  Al incrementar la temperatura incrementa la energía interna del diodo.

•  Se reduce el voltaje directo que es necesario aplicar para que entre en conducción.

•  Se incrementa la can>dad de corriente inversa que circula al estar polarizado inversamente.

•  Se incrementa el voltaje de avalancha.

•  Los diodos de Germanio son más sens ib les a var iac iones de temperatura que los diodos de Silicio.

Dependencia respecto a la temperatura

Caracterís>ca de salida(IV)

23

Aplicaciones de los diodos


Para la configuración de la figura, determinar VD e ID.

Ejemplo

Análisis de circuitos mediante la recta de carga (I)

24



Ejemplo

Análisis de circuitos mediante la recta de carga (II)

25



Aproximamos el diodo a una batería

Ejemplo

Análisis de circuitos mediante la recta de carga (III)

26



Aproximamos el diodo a un interruptor

Ejemplo

Análisis de circuitos mediante la recta de carga (IV)

27



Para un punto de funcionamiento en el que se aplica una tensión con>nua VD, por el diodo circula una corriente ID, siendo su resistencia directa o resistencia está>ca RD.

D

DD I

VR =

Niveles de resistencia (I)

•  Los semiconductores actúan diferentemente frente a corrientes con>nuas y alternas. Se pueden dis>nguir tres >pos de resistencias:

–  Resistencia DC o está>ca –  Resistencia AC o dinámica –  Resistencia AC media

Resistencia está?ca

28



Punto Q

La tangente coincide con la

curva

Curva del diodo

Punto Q (quiescencia)

rd ' =ΔVdΔId

Niveles de resistencia (II) Resistencia dinámica

29



Circuitos equivalentes (I)

1ª Aproximación

Diodo Ideal

30



Circuitos equivalentes (II)

Diodo Ideal

2ª Aproximación

31



Circuitos equivalentes (III)

3ª Aproximación

rav =ΔV1−2ΔI1−2

32



Ejemplo 1. Para la configuración de la figura, determinar VD, VR e ID.

Análisis en con>nua (I)

33



Ejemplo 2. Para la configuración de la figura, determinar VD e ID.

Análisis en con>nua (II)

34



Ejemplo 3. Para la configuración de la figura, determinar ID, VD2 y Vo.

Análisis en con>nua (III)

35



Ejemplo 4. Para la configuración de la figura, determinar I, V1, V2 y V0

Análisis en con>nua (IV)

36



Ejemplo 5. Para la configuración de la figura, determinar Vo, I1 , ID1 e ID2

Análisis en con>nua (V) Diodos en paralelo

37



Ejemplo 6. Para la configuración de la figura, determinar I1 , I2 e ID2

Configuración paralelo-‐serie

Análisis en con>nua (VI)

38



•  En polarización inversa, la capa de deplexión es más grande. Se presenta la capacitancia de transición, CT.

•  Para la región de polarización directa tendremos la capacitancia de difusión o

almacenamiento, CD.

Capacitancia del diodo

Pol. Directa

Pol. Inversa

39



El >empo de recuperación inversa es el >empo que necesita el diodo para dejar de conducir una vez que conmuta del estado de conducción (ON) al de corte (OFF).

Tiempo de recuperación inversa (trr)

Instante en el que el diodo pasa de ON a

OFF

Respuesta ideal del diodo

40



• VF, Voltaje directo para una corriente y temperatura especificada • IF, máxima corriente directa para una temperatura específica • IR, máxima corriente inversa para una temperatura específica • PIV o PRV o V(BR), máximo voltaje inverso para una tª específica • P, máxima potencia disipada para una temperatura específica • C, capacitancia en polarización inversa • trr, >empo de recuperación inversa • Temperaturas, rangos de temperatura de operación y almacenamiento

Los principales parámetros que caracterizan un diodo son:

Hoja de especificaciones (I)

41



Hoja de especificaciones (II)

42



Hoja de especificaciones (III)

43



El ánodo se abrevia con una A El cátodo se abrevia con una K

Encapsulado (I)

44



Ensayos con diodos (I) Comprobador de diodos

Terminal ROJO

Terminal NEGRO

45



Un ohmmetro en la escala baja de resistencias puede ser u>lizado como comprobador de diodos. El diodo debe ser comprobado fuera del circuito.

Ensayos con diodos (II) Ohmmetro

Terminal ROJO

Terminal ROJO

Terminal NEGRO

Terminal NEGRO

Valor Resis>vo Bajo

Valor Resis>vo Alto

46



Un Zener es un diodo que trabaja normalmente en polarización inversa y dentro de la zona de avalancha cuando se supera la tensión Zener (VZ). Las tensiones Zener se encuentran entre los 1.8 V a 200 V

Otros >pos de diodos (I) Diodos Zener

47



Otros >pos de diodos (II) Diodos Zener

48



Diodos Zener

Otros >pos de diodos (III)

Ánodo

Cátodo

49



Un diodo LED emite fotones cuando se polariza directamente. Estos pueden ser de infrarojos o del espectro visible. La tensión directa está usualmente en el rango de 2 V a 3 V.

Diodos LED

Otros >pos de diodos (IV)

50



Un conjunto de d iodos puede encapsularse en un Circuito Integrado (IC).

Arrays de diodos

Otros >pos de diodos (V)

51






ACTUADORES

•  C. discretos •  Amplificadores








•  Transistores




VISUALIZADORES

Sistemas mecánico

52



A B S 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1

Puertas lógicas (I) Puerta OR

A B

S

53



Puertas lógicas (II) Puerta AND

A B S 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1

A B

S

54



Vdc =1T

vs0

T2∫ t( )dt = 1

2πVm0

π

∫ senωtdωt = Vmπ= 0,318Vm

Tensión media en la carga

Rec>ficadores(I) Rec?ficador de media onda (I)

55



( )∫=T

crms dttvT

V0

21 ( )22

1

0

2 mmrms

VtdtsennVV == ∫π

ωωπ

Tensión eficaz en la carga

Factor de forma y factor de rizado

FR =Vripple rmsVdc

= FF 2 −1FF = VrmsVdc

Para una señal con>nua FR=0

Para una señal con>nua FR=1

FR = π2!

"#

$

%&2

−1 =1,21FF =Vm2

Vmπ

=π2=1,57

Rec?ficador de media onda (II)

Rec>ficadores(II)

56



Obtención del factor de rizado a par>r del factor de forma

)()( tvVtv rippledc +=

Vripple rms2 =

1T

vripple2 (t).dt

0

T

∫ =1T

v(t)−Vdc( )2 dt0

T

∫ =Vrms2 −Vdc

2FR =

Vripple rmsVdc

vripple(t) = v(t)−Vdc

FR =Vripple rmsVdc

=Vrms2 −Vdc

2

Vdc=

Vrms2

Vdc2 −1 = FF 2 −1

Rec?ficador de media onda (III)

Rec>ficadores(III)

57



Rec?ficador onda completa (I). Con puente de diodos

Vdc =2.Vmπ

Vrms =Vm2

FF = VrmsVdc

=

Vm2

2.Vmπ

=π2 2

=1,11 FR = FF 2 −1 = 0, 48

PIV ≥ Vm

Rec>ficadores(IV)

58



Rec?ficador onda completa (II). Con transformador con toma intermedia

Vdc =2.Vmπ

Vrms =Vm2

FF = VrmsVdc

=

Vm2

2.Vmπ

=π2 2

=1,11 FR = FF 2 −1 = 0, 48

PIV ≥ 2Vm

Rec>ficadores(V)

59



Rec?ficador onda completa (III). Con transformador con toma intermedia

Rec>ficadores(VI)

60



Los circuitos recortadores o clippings >enen la habilidad de recortar una porción de la señal de entrada sin distorsionar la parte restante de la forma de onda.

Circuitos recortadores (I)

61



Diodo recortador en serie polarizado (Biased Clippers)

Añadiendo una fuente de tensión DC en serie con el recortador se puede cambiar el nivel de corte.

Circuitos recortadores (II)

62



Circuitos recortadores (III) Resumen de circuitos recortadores en serie

63



Circuitos recortadores (IV) Diodo recortador en paralelo

64



Resumen de circuitos recortadores en paralelo

Circuitos recortadores (V)

65



•  Son circuitos que cambian una señal a un nivel diferente de con>nua.

•  La red debe tener un diodo, un condensador y un resistor, e incluso una fuente de tensión independiente que introduce un desplazamiento adicional.

•  La señal de entrada puede ser de cualquier >po de forma de onda (senoidal, cuadrada o triangular).

•  La fuente de tensión permite ajustar el nivel de tensión de salida.

Cambiadores de nivel (I)

66



Resumen de circuitos cambiadores de nivel o clampers

Cambiadores de nivel (II)

67



•  Cuando Vi ≥ Vz –  El Zener está en on –  El voltaje en bornas del Zener is Vz –  La corriente Zener: IZ = IR – IRL –  La potencia Zener: PZ = VZIZ

•  Cuando Vi < Vz

–  El Zener está en off –  El Zener trabaja como un circuito abierto

El Zener es un diodo que trabaja polarizado inversamente a la tensión Zener (Vz).

Regulador de tensión Zener (I)

68



Valores de las Resistencias en los circuitos Zener

ZMRLmin I- I I =

RLmax = VZ

ILmin

ZKRLmax II I −=

Lmax

ZLmin I

VR =

Sí R es demasiado grande, el diodo Zener no puede conducir porque la can>dad disponible de corriente es menor que la corriente Zener mínima , IZK. Si R es demasiado pequeño, la corriente Zener puede exceder el máximo valor, IZM.

Una vez conduce el Zener (IR fija), la mínima corriente en la carga viene dada por:

El valor máximo de la resistencia de carga es:

El máximo valor de corriente para el circuito viene dado por:

El valor mínimo de resistencia es por tanto:

Regulador de tensión Zener (II)

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