Resumen Dispositivos Electrónicos

5/28/2018 Resumen Dispositivos Electr nicos

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Resumen Disp. Electrnicos Juan Pablo Mart

U.T.N.F.R.M. - 1 - Dispositivos Electrnicos

DISPOSITIVOS ELECTRNICOS

UNIDAD I: FSICA DE LAS JUNTURAS

Semiconductores: Modelo de Enlace CovalenteCelda Unitaria:

Los elementos Si (Silicio) y Ge (Germanio) tienen cuatro electrones de

valencia, correspondientes a la frmula 22 ps . Se denomina a estosmateriales como elementos semiconductores. Dichos elementos cristalizancomo se ve en la figura.

Ligaduras covalentes:

A continuacin se presenta un diagrama deligaduras covalentes en stos elementos.Cada tomo es representado por el ncleo y loselectrones de los niveles interiores (todos exceptolos de valencia). La circunferencia punteadaindica neutralidad de cargas.

Rotura de las ligaduras:

El cristal esta siempre sometido a una temperatura, que le proporciona energa a sus electrones.Si la temperatura es K0=T , entonces el material no conduce, pues los electrones estn ligadostotalmente. A esa temperatura, el semiconductor se vuelve aislante.Si la temperatura es K0>T , algn electrn adquirir una energa cintica que le permita vencer

la barrera de potencial y podr romper la ligadura, y pasar a ser un electrn libre. Adems, esteelectrn deja una ligadura rota, que trata de reconstruirse con un electrn vecino. Cuando lo hace,queda la ligadura vecina rota, generando as sucesivamente un hueco libre.

Este electrn librepermite la conduccin de electricidad. Tambin el hueco librela permite, yaque se comporta como una carga positiva en movimiento.

Hay que tener en cuenta que ambas cargas nunca se sitan en el espacio interatmico, pues ahexiste una barrera de potencial muy alta. Cunticamente suponemos que el electrn y el huecosimplemente se transfieren de tomo en tomo sin haber desplazamiento fsico a travs de laestructura.

Veremos tambin que el hueco tambin tiene masa. Pero para hablar de la masa de estos entes,utilizaremos el concepto de masa efectiva, ya que este resume todos los efectos cunticos que

+4 +4

+4 +4

+4 +4

+4

+4

+4


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afectan a los mismos. La siguiente tabla muestra los valores relativos de las masas efectivasrespecto del valor de la masa del electrn en reposo.

Electrn HuecoSilicio

en mm .1,1*= ep mm .59,0

*=

Germanio en mm .55,0* = ep mm .37,0

* =

Semiconductores intrnsecos:

En un semiconductor intrnseco, vale decirpuro (intrnseco porque sus propiedades vienen definidasdesde el interior del material), a temperatura ambiente hay dos cargas libres que permiten la conduccin:los electrones y los huecos. Para ello, cada electrn adquiere trmicamente una energa de eV1,1 si elmaterial es Silicio, o eV7,0 si es Germanio.

A dicha temperatura ( K300T ) en el Silicioaproximadamente 1 de cada 1210 electrones adquiere esaenerga y escapa del enlace. Si consideramos que hay aproximadamente 2210 tomos por 3cm dematerial, entonces tendremos una concentracin de electrones libres de:

at10

el1.

cm

at10

12322

in

310

cm

el10in y 3

10

cm

el10ip

siendo in y ip la concentracin de electrones y huecos respectivamente en el material.En todos los casos, los electrones se recombinan nuevamente con los huecos, pero al mismo tiempo sevuelve a generar otro electrn libre. Hay entonces un equilibrio dinmicoen el material que mantiene la

concentracin relativamente constante.

Semiconductores no intrnsecos (o extrnsecos):

Un semiconductor no intrnseco (o extrnseco, porque las propiedades se definen desde afuera) es aquel alque se le ha agregado cierta concentracin de impurezas. Hasta ahora la presencia de electrones o huecosse deba a la rotura trmica de las ligaduras y por lo tanto, estaban balanceadas en nmero. Veremosahora que agregando pequeas concentraciones de impurezas al material, las cantidades de electrones ohuecos diferirn una con otra.

Tipo N:

Se llaman impurezas donorasa las concentraciones de materiales del grupo V de la tablaperidica, vale decir que tienen 5 electrones de valencia (pentavalentes), por ejemplo: Arsnico oFsforo.Agregar impurezas donoras es una forma de agregar electrones libres sin agregar al mismotiempo huecos, y sin romper la neutralidad elctrica. Slo puede hacerse esto si agregamospequeas concentraciones, de modo que los tomos de cada elemento estn lo suficientementedispersos en el cristal como para no interactuar entre s.Grficamente esto sera:


3/



Representaremos a la concentracin de impurezas donoras con3

14

cm

at.10DN

Adems representaremos con n a la concentracin de portadores negativos y con p la deportadores positivos:

314

cmel.10n (mayoritarios en el material N)

36

cm

h.10p (minoritarios en el material N)

Siempre se cumple que:2. inpn =

Tremosa Pg. 35

Si la temperatura aumenta, el material tiende a la condicin intrnseca, porque los portadores

minoritarios aumentan en cantidad./*Estudiar los desarrollos*/

Tipo P:

Se llaman impurezas aceptorasa las concentraciones de materiales del grupo III de la tablaperidica, vale decir que tienen 3 electrones de valencia (trivalentes), por ejemplo: Aluminio,Indio y Galio.Agregar impurezas aceptoras es una forma de agregar huecos libres sin agregar al mismo tiempoelectrones, y sin romper la neutralidad elctrica. Tambin debe hacerse con pequeasconcentraciones.Grficamente esto sera:

+4 +4

+4 +3

+4 +4

+4

+4

+4

Electrn faltante del tomo trivalente

No es un hueco comn, es un huecolatente. La energa necesaria para que loselectrones vecinos enlazados llenen ese

hueco, es de eV05,0E para el Silicio,lo que provoca la existencia de un hueco

libre.

+4 +4

+4 +5

+4 +4

+4

+4

+4

Quinto Electrn del tomo pentavalente

Sigue unido aunque dbilmente al tomopentavalente. Slo necesito una energa de

eV05,0E para el Silicio paradesprenderlo del enlace.


4/



Representaremos a la concentracin de impurezas aceptoras con3

14

cm

at.10AN

Las concentraciones de portadores son:

314

cm

h.10p (mayoritarios en el material P)

36

cm

el.10n (minoritarios en el material P)

Tambin siempre se cumple que:2. inpn =

Tremosa Pg. 35

Anlogamente con el otro tipo de material, si la temperatura aumenta, se tiende a la condicinintrnseca, porque los portadores minoritarios aumentan en cantidad.

/*Estudiar los desarrollos*/

Podemos graficar la concentracin deportadores en un material semiconductorextrnseco con respecto a la temperatura (eneste caso a la inversa). El grfico determinatres zonas: zona de ionizacin, zona extrnsecay zona intrnseca. Para el normalfuncionamiento de los dispositivos, elsemiconductor debe trabajar en la zonaextrnseca, que es lo ms frecuente. All, sus

propiedades casi no varan con la temperatura.

Tremosa Pg. 39

Conduccin:

La conduccin elctrica en materiales conductores difiere de la misma en semiconductores. La diferenciams significativa radica en la naturaleza de dicha corriente.

Materiales Conductores:

Como vemos en las figuras anteriores, los electrones van chocando a medida que van avanzando,logrando una velocidad promedio dv y una corriente de arrastre de electrones. Obtenemos as la densidadde corriente de arrastre:

dvqnJ ..=

T1

p

n

Zonaintrnseca

Zona extrnseca

Zona deionizacin deimpurezas

KT 50= KT 470=

E

x

Cobre

t

xv

dv


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donde q es la carga del electrn. Tambin podemos reemplazar Evd .= donde es la movilidad quetienen esos electrones. Obtendremos entonces una frmula as:

EqnJ ... =

y podemos decir que la conductividad del material (inversa de la resistividad) es ..qn= , entoncesobtenemos la ley de Ohm en su expresin de: EJ .=

Materiales Semiconductores:

Varias son las causas que perturban el movimiento de los portadores durante la conduccin elctrica ensemiconductores:

a) Agitacin trmicaLa agitacin trmica de la estructura cristalina provoca la dispersin de los portadores, y por lotanto, un aumento en la resistencia elctrica. A mayor temperatura, mayor dispersin, y por lotanto, menor velocidad crtica (la mxima alcanzada, a partir de la cual la aceleracin es cero).

b) tomos de impurezas ionizadosCuando los electrones o lagunas pasan cerca de un tomo donor o aceptor ionizado, son repelidoso atrados, segn el caso. Y por lo tanto, este efecto provoca la dispersin de los portadores.Cuanto mayor es la temperatura, menor es el efecto dispersivo de los iones (porque la velocidades alta, y el efecto electrosttico es dbil)

c) tomos de impurezas sin ionizarLos tomos de impurezas sin ionizar, que slo existen de manera significativa a muy bajatemperatura, dispersan a los portadores por el efecto gravitacional de sus masas, distintas a lasmasas de los tomos del semiconductor.

d) Portadores de distinta polaridadLos electrones y los huecos se dispersan entre ellos. Cuando circula la corriente para un sentido,ambos portadores van en sentido contrario, y si estn cerca, se atraen, distorsionando el sentido de

la corriente, y disminuyendo su componente en el sentido original.e) Portadores de la misma polaridad

Estos producen dispersin entre ellos al pasarse cerca, pero no afectan a la corriente, debido a quesus sentidos de circulacin se mantienen a pesar de haberse dispersado.

En los semiconductores, al tener dos tipos de portadores, vemos que la densidad de corriente de arrastrees:

EqpEqnJ pnA ...... +=

En ste caso vemos que diferenciamos con un subndice A para indicar que es de arrastre, porque existeuna corriente de otra naturaleza: la difusin, que denominaremos con el subndice D.

Conductividad:Veremos cmo vara la conductividad con la temperatura en los semiconductores intrnsecos.


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En lazona 1, la conductividad crece rpidoporque la concentracin de portadores crecerpido debido a la ionizacin de impurezas. Elcrecimiento es exponencial, por lo que predominasobre la disminucin de la movilidad en esa zona.

En lazona 2, la concentracin de portadores semantiene constante, porque prcticamente todaslas impurezas estn ionizadas y la temperatura noes an suficiente para romper ligaduras a granescala. Pero la movilidad disminuye por efecto dela dispersin trmica de los portadores, y porende, disminuye la conductividad. A esta zonatambin se le llama metlica, porque elcomportamiento es similar a los metales,disminuyendo la conductividad con latemperatura.En alzona 3, el nmero de portadores aumenta

rpidamente por la rotura trmica de ligaduras.Este aumento, como es exponencial, predominasobre la disminucin de la movilidad.Los nombres de las zonas se deben a ladependencia de la conductividad con esos hechos.

Tremosa Pg. 40

Supongamos ahora un cristal semiconductor con una concentracin de portadores mucho mayor en unlado con respecto al otro:

Se crean as corrientes llamadas de Difusin, que dependen de cmo varen las concentraciones en elcristal, y que se expresan como:

dx

dnqDJ nDn ..=

Corriente de Difusin de electrones

dx

dpqDJ pDp ..=

Corriente de Difusin de huecos

Con esto, presente la difusin, se provoca un campo elctrico que crea una corriente de arrastre, opuesta ala de difusin, logrando el material un equilibrio dinmico de corrientes.

n=1000 n=10

500 500 5 55 500

495

(+) (-)

E

Como hay diferencia de concentraciones, seDIFUNDEN portadores de un lado al otro.

Al difundirse los portadores se crean excesosde cargas opuestas, que generan un campo

elctrico que se opone a la difusin.


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Semiconductores: Modelo de Bandas de Energa

Principio de Exclusin de Pauli:

El principio de exclusin de Pauli establece que dos electrones no pueden tener el mismo estado cuntico

de energa. Cuando dos tomos estn lo suficientemente separados como para no notar interacciones entres (estado gaseoso), los niveles energticos de los electrones pueden coincidir, pero si se comienzan aacercar (estado slido), los electrones comienzan a ubicarse en distintos niveles energticos intermediospara no violar el mencionado principio.Como ejemplo para visualizar esto, veremos qu ocurre en un slido con la energa de sus electrones enfuncin de la distancia interatmica. Sabemos que para los materiales semiconductores, los electrones de

los ltimos niveles tienen la configuracin 22 ps . Esto nos dice que hay ocho estados disponibles ycuatro electrones para ubicarse en ellos, por cada tomo. Al haber una cantidad grande de tomos, ocurrelo siguiente:

Bandas de Energa:

Al posicionarnos en la distancia real de los tomos, obtenemos el diagrama de bandas de energa del

material.

Interpretacin de las bandas:Las bandas pueden estar llenas, casi llenas, casi vacaso vacas. El comportamiento elctrico en cadacaso es el siguiente:

a) Una banda llenano conduce corrienteb) Una banda vacano conduce corrientec) Una banda casi llenaconduce corriente mediante el desplazamiento de huecosd) Una banda casi vacaconduce corriente mediante el desplazamiento de electrones

Tremosa Pg. 62

Semiconductores intrnsecos:

El diagrama de bandas de energa para el semiconductor intrnseco es:

E

2s

2p

=N cantidad de partculas (muy grande)

NABA = veces la cantidad de electrones y NB = veces la cantidad de estados

=0a separacin real de los tomos

62

22 8

4

44

40

Se divide en tantos niveles distintos

que se supone continuidad

x 0a


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Para que un electrn salte de la banda de Valencia a labanda de Conduccin tiene que superar la bandaprohibida, donde ningn electrn puede estar.Entonces necesita una energa de:

( )ATSi,eV1,1= VCg EEE

La Banda de Valencia, a una temperatura de K0 se encuentra totalmente llena, pues tiene cuatroestados y cuatro electrones. A esa misma temperatura, la Banda de Conduccin est totalmentevaca, pues no tiene ningn electrn. A temperatura ambiente ( K300=T ), algunos electrones dela Banda de Valencia adquieren esa energa gE y saltan hacia la Banda de Conduccin,

permitiendo la circulacin de una pequea corriente a travs del material, debido a que hayelectrones libres en la Banda de Conduccin, y huecos libres en la Banda de Valencia.

Semiconductores no intrnsecos:Tipo N:

En un semiconductor tipo N, el diagrama de bandas es similar, slo con una pequeadiferencia. Aparece un nivel de energa donor dE , debido a los electrones de los tomos

pentavalentes. Es evidente que ste electrn necesita una pequea energa ( eV05,0 ) pararomper el enlace y quedar libre. Entonces, inicialmente no est en la Banda deConduccin. Tampoco est en la Banda de Valencia, pues de esa manera hubieranecesitado una energa mayor para quedar en conduccin. Entonces decimos que est enun nivel de energa donor, ubicado en la Banda Prohibida, cerca de la Banda deConduccin. No es contradictorio afirmar lo anterior, ya que la banda prohibida es delsemiconductor, el nivel donor es de las impurezas.

Representamos al niveldonor con una lnea, pueslas concentraciones deimpurezas se suponenpequeas, para que nointeracten entre s lostomos de las mismas. Amayores concentraciones,el nivel de energa donorse convierte en una

pequea banda deenerga.

A temperatura ambiente, todos los electrones del nivel donor pasan a la conduccin,haciendo que menos cantidad de los electrones de Valencia salten la banda prohibida.Quedan determinados as los dos tipos de portadores: mayoritarios, los electrones; yminoritarios, los pocos huecos que quedan en la Banda de Valencia.

Banda Prohibida

Banda de Conduccin

Banda de Valencia

E

CE

VE

dE

eV05,0

Banda Prohibida

Banda de Conduccin

Banda de Valencia

E

CE

VE

E

CE

VE


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Tipo P:

En un semiconductor tipo P, aparece un nivel de energa aceptor aE , debido a los huecosgenerados por los tomos trivalentes. Los electrones que estn en la Banda de Valencianecesitan una pequea energa ( eV05,0 ) para ubicarse en esos huecos. Entonces, loshuecos no estn en la Banda de Conduccin ni en la de Valencia. Los ubicaremos en unnivel de energa aceptor, que esta en la Banda Prohibida, cerca de la banda de Valencia.No es contradictorio afirmar lo anterior, ya que la banda prohibida es del semiconductor,el nivel aceptor es de las impurezas.

Representamos al nivelaceptor con una lnea,pues las concentracionesde impurezas se suponenpequeas, para que nointeracten entre s lostomos de las mismas. A

mayores concentraciones,el nivel de energaaceptor se convierte enuna pequea banda deenerga.

A temperatura ambiente, una gran cantidad de electrones de Valencia ganan la energasuficiente y pasan al nivel aceptor, y unos pocos alcanzan a saltar la Banda Prohibida.Quedan determinados as los dos tipos de portadores: mayoritarios, los huecos en laBanda de Valencia; y minoritarios, los pocos electrones que saltan hacia la Banda deConduccin.

Si impurifico al material de ambas maneras a la vez, tiende a la condicin intrnseca, pues el saltode banda ms probable (debido a la cantidad de electrones) es el de la Banda de Valencia hacia lade Conduccin.

Estadstica de Fermi:

Fermi formula una funcin que determina la probabilidad de encontrar electrones en un estado de energadeterminado, a una temperatura dada. Dicha funcin se expresa de la siguiente manera:

( ) ( ) TkEE FeTEf .1

1,

+

=

/*Estudiar el desarrollo*/

Tremosa Pg. 75

donde FE es la Energa de Fermi, que expresa la mxima energa que puede tener un electrn enK0=T ; kes la constante de Boltzman.

A continuacin vemos un grfico de dicha funcin a varias temperaturas. El de lnea continua es en elcero absoluto. A mayores temperaturas (lnea punteada), la curva se aleja de esa condicin.

Banda Prohibida

Banda de Conduccin

Banda de Valencia

E

CE

VE

aE

eV05,0

E

CE

VE


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Al ver el grfico podemos redefinir la Energa de Fermi como la energa a la cual la probabilidad deocupacin vale 0,5 a cualquier temperatura.El nivel de Fermi es siempre constante, mientras no vare la temperatura en distintos puntos del mismomaterial, o las condiciones de equilibrio.Si representamos dicha funcin sobre los diagramas de bandas para los tres tipos de semiconductores,podemos sacar conclusiones interesantes:

Semiconductores Intrnsecos:

Aqu hay igual probabilidad para los electrones que para los huecos.

Material tipo N:

Aqu hay mayor probabilidad de encontrar electrones libres en la Banda de Conduccin que huecos en laBanda de Valencia.

Material tipo P:

Aqu hay mayor probabilidad de encontrar huecos en la Banda de Valencia que electrones libres en la

Banda de Conduccin.

E

CE

VE

1

FE

Probabilidadmenor

Probabilidadmayor

E

CE

VE

1

FE

Probabilidadmayor

Probabilidadmenor

E

CE

VE

1

FE

K300=AT

K0=T

Probabilidad quehaya electrones libres

Probabilidad quehaya huecos libres

FE

1

0,5

E


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Teora de Junturas

Juntura P-N:

La Juntura P-N es un monocristal de material semiconductor con contaminaciones distintas en sus

extremos, vale decir, con una variacin de concentracin de portadores de un extremo a otro del material.Cabe aclarar que la Juntura P-N no es la unin o soldadurade un material N con uno P, sino unmonocristal.Para comprender cmo funciona, supongamos dicha juntura representada en el siguiente grfico:

Toda juntura est formada por una zona de contaminacin aceptora (tipo P) separada de una decontaminacin donora (tipo N). El plano que depara ambas zonas se denomina plano metalrgico. Entodo el anlisis vamos a suponer que la juntura es abrupta, ya que por ms que en la realidad no sea as laconstruccin, los clculos siguen siendo vlidos debido a que no dependen del tipo de perfiles de lascontaminaciones.

Cuando decimos que la juntura est en equilibrio, nos referimos al equilibrio trmico, con lo cualafirmamos que el sistema slo interacciona con el ambiente por medio de la temperatura (no existenefectos de luz, campos magnticos o elctricos).

En nuestro anlisis vamos a hacer una aproximacin de vaciamiento, es decir, suponemos que la zonade transicin de la juntura (o zona de carga espacial) se vaca de portadores por difusin, dejando lascargas fijas de los iones de las impurezas. La situacin real es bastante parecida.

Podemos visualizar algunos grficos que representan magnitudes importantes en la juntura en equilibrio.En ste caso, se ha dibujado una impurificacin simtrica, pero puede no darse ste caso. Se debeentender cmo variarn los grficos para la situacin mencionada.

P N

p>>

n>

p


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En el primer diagrama representamos la diferenciacin de las zonas, entendiendo que todos los demsdiagramas estarn representando lo que ocurre en la zona de transicinde la juntura.En el segundo, tenemos la densidad espacial de carga. sta carga se debe a los iones de las impurezas yno a los portadores. Cuando las impurezas se ionizan, algunos portadores liberados cruzan la zona detransicin y se recombinan. Como las cantidades recombinadas son iguales por ms que lasconcentraciones de impurezas no lo sean, las reas de los rectngulos (vale decir la carga) deben seriguales.Al haber carga en la juntura, habr un campo elctrico que representamos en el tercer grfico. Su

magnitud es representada de forma negativa debido a la direccin del mismo. Su variacin es lineal,porque la cantidad de cargas es constante.En el cuarto grfico vemos la distribucin de potencial, que sigue una ley cuadrtica debido a que es laintegral del campo respecto a la posicin (deduciendo de la ecuacin de Poisson).Por ltimo, vemos en el quinto grfico la distribucin de energas de los portadores. El salto de energa

0.Vq es la diferencia de potencial existente entre ambas zonas.

Las curvas de Potencial y Campo Elctrico, se deducen de la Ecuacin de Poisson:

2

2

=dx

Vd

/*Estudiar las deducciones*/

Zona P Zona N

E

V

0V

(+)

(-)

Zona de transicinde la Juntura

Densidad espacialde car a

Campo Elctrico

Potencial

VqU .=

0.Vq Energa Potencial


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El proceso de la difusin termina cuando el campo elctrico que ese mismo proceso genera essuficientemente intenso, y hace que la corriente resultante en la juntura sea cero. Como resultado de estosdos procesos que se acaban de analizar, y que se produjeron al fabricar la juntura, nace el potencial 0V ,que no puede medirse con ningn instrumento, porque es un potencial de contacto. Su valor numrico secalcula como:

=

20

.ln.

i

ADT

n

NNVV

/*Estudiar la deduccin*/

de donde mV26.

=q

TkVT es la tensin trmica, y ese valor aproximado es para KT 300=

Diagrama de Bandas en la juntura P-N:

Sabiendo cmo son los diagramas de bandas de Energa para cada tipo de material, podemos unirlosabiendo que la energa de Fermi en todo el material es constante, cuando ste est en equilibrio.

Nos queda la forma del mismo diagrama que dedujimos anteriormente, para cada lmite de banda.La densidad de concentracin de portadores est representada por la cantidad de signos + y -.Debe recordarse que es stos diagramas los electrones tratan de caer buscando el mnimo de energapotencial, pero la agitacin trmica, representada por la expresin Tk. , trata de enviar electrones hacianiveles ms altos de energa.

P N

CE

FE

VE

CE

FE

VE

P N

CE

FE

VECE

FE

VE

Zona deTransicin

0.Vq

- - - -

- - - - - - - - - - - - -

+ + + +

+ + + + + + + + + +


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La Juntura P-N fuera del equilibrio:

Inyeccin Dbil:

Como en un extremo del cristal, las concentraciones de los portadores difieren de manera

descomunal, a un aumento de portadores (por algn motivo), le corresponde una variacinrelativa, para cada tipo de portador. En los mayoritarios esa variacin no se nota, en cambio enlos minoritarios s. Las variaciones de los portadores se producen, generalmente, por aplicacinde un potencial externo a la juntura, pero puede tambin producirse por la incidencia de luz alcristal. Para poder conectar una diferencia de potencial a la juntura, debemos soldar dos contactoshmicos de muy baja resistencia y que no discriminen el sentido de la corriente, uno a cada lado.Quedan delimitadas por esos contactos tres zonas: dos zonas neutras y la zona de transicin.Para el anlisis, vamos a suponer que en las zonas neutras no se produce cada de tensin y quelos contactos son perfectos (resistencia nula para ambas situaciones).

Al polarizar en directo una juntura, se produce un aumento de portadores que llamamos inyeccindbil (o inyeccin de portadores minoritarios). Esto se puede ver en la zona de transicin del

siguiente grfico de concentracin de portadores:

Al polarizar en directo la juntura, disminuye el campo elctricoque provocaba la corriente dearrastre, permitiendo ms difusin.

Fuera de la zona de transicin, las concentraciones son:

De aqu puedo sacar una ecuacin para averiguar la concentracin de portadores en cualquierlugar fuera de la zona de transicin:

( ) ( ) pLx

n enpnpxp

+= .00

donde =pL longitud de difusin, que es la distancia promedio que ingresa el hueco antes derecombinarse, y no es una constante.

0Pp

0Pn0np

0nn 0Pp

( )0Pn ( )0np

0nn

JUNTURA EN E UILIBRIO POLARIZACIN DIRECTA

np, np,

0Pp

0Pn0np

0nn 0Pp

( )0Pn ( )0np

0nn

JUNTURA EN E UILIBRIO POLARIZACIN DIRECTA

np, np,

( )0np( )0pn


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Anlogamente:

( ) ( ) nLx

PPP ennxn

+= .00

Sabiendo que en la zona de transicin se inyectan portadores, qu sucede fuera de esa zona? Nohay ninguna fuerza que lleve a esos portadores hacia la parte externa de esa zona. Lo que losimpulsa a moverse es la energa trmica del ambiente, combinada con una fuerza deprobabilidad basada simplemente en el lugar en el que se ubican. La ley que rige ste movimientodetermina el flujo de corriente de Difusin. Las ecuaciones son las vistas anteriormente.

Tremosa Pg.: 48Juntura en equilibrio:

Cuando la juntura est en equilibrio, existen corrientes dentro del material. Dichas corrientes son:

04321 =+++ IIII entonces 21 II = e 43 II =

Polarizacin directa:

Cuando conectamos la fuente, de tal manera que el positivo de lamisma se conecte al lado P de la juntura, el potencial de la juntura

0V disminuye a VV 0 . Entonces las bandas se juntan.

En la zona de transicin nunca se genera un potencial V mayor que 0V , porque sino se quema eldiodo.

1I e 4I son iguales al equilibrio. 2I e 3I aumentan, porque la energa que adquieren les permitepasar la barrera.La corriente del diodo es:

32 IIID +=

1I

2I

3I

4I

- - - -

- - - - - - - - - - - - -

+ + + +

+ + + + + + + + + +

( )VVq 0.

1I

2I

3I

4I

- - - -

- - - - - - - - - - - - -

+ + + +

+ + + + + + + + + +


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Polarizacin inversa:

Cuando a esa juntura le conectamos una fuente, de tal manera que elpositivo de la misma se conecte al lado N de la juntura, el potencial

de la juntura 0V aumenta a VV +

0 . Entonces las bandas se separan.

De sta manera se genera una corriente de portadores minoritarios, que es muy pequea.

1I e 4I son iguales al equilibrio. 2I e 3I tienden a 0, porque la energa que tienen que superar esms alta.La corriente del diodo (que en este caso es inversa) queda determinada como:

41 IIID +=

Ley de la Unin:

Sabiendo que la densidad de corriente de difusin es igual a la densidad de corriente de arrastre en unajuntura en equilibrio, podemos deducir dos relaciones interesantes.

( ) TVV

enpnp .0 0= y ( )TV

V

PP enn .0 0=

Ley de la Unin/*Estudiar la demostracin*/

Tremosa Pg.: 117Corriente en la juntura con polarizacin directa:

De los anlisis anteriores surge la existencia decorriente elctrica en el circuito, pues hay uncruce de portadores de distinto signo, lo quesupone una corriente en un solo sentido.Consideraremos el plano de anlisis a uno ubicadodentro de la zona de transicin, donde larecombinacin es prcticamente nula.

Viendo el grfico de concentracin de portadoresfuera de la zona de transicin cuando haypolarizacin directa, si lo derivamos podemosobtener el grfico de las corrientes del diodo fuera

de la misma zona.

POLARIZACIN DIRECTA

( ) ( )00 nppnD III +=

(difusin)npI (difusin)pnI

ppI nnI

I

1I

2I

3I

4I

- - - -

- - - - - - - - - - - - -

+ + + +

+ + + + + + + + + +

( )VVq +0.


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Vemos que la suma de las corrientes de difusin npI e pnI , en su punto inicial, dan como resultado la

corriente del diodo, que debe ser constante en toda la juntura debido al principio de conservacin de lacarga. Entonces nacen corrientes de arrastre y difusin a la vez, que llamamos ppI e nnI .

Los portadores, al atravesar la zona de transicin, llegan a una zona neutra y fluyen por difusin. La zona

contraria podra proveer una cantidad mayor de portadores, pues all son mayoritarios, pero es necesarioque fluyan a travs de la zona contraria, por difusin. Entonces determinamos que la limitacin a lacorriente la impone la difusin.Dentro de la zona de transicin, suponemos que las corrientes se mantienen iguales que en sus estadosiniciales, es decir que dentro de esa zona: ( )0pnpn II = e ( )0npnp II = .

Tomamos como importante la siguiente ecuacin que deducimos grficamente en el paso anterior:( ) ( )00 nppnD III +=

A partir de ella podemos deducir la siguiente expresin, que nos da la relacin entre la tensin y lacorriente en la juntura, y por lo tanto, la caracterstica terica del diodo de juntura:

= 1.

TVV

SD eII

donde

+=

n

Pn

p

pS L

nD

LnpDAqI 00

.... es la Corriente de Saturacin de la juntura

/*Estudiar la demostracin*/

Tremosa Pg.: 119Corriente de Saturacin inversa:

Es conveniente deducir SI como resultado de una polarizacin inversa.

Fuera de la zona de transicin de la juntura, las concentraciones de portadores son:

Las corrientes existentes en ste caso son 1I e 4I , que son minoritarias y cruzan la zona de transicin pordifusin.

Calculando esas corrientes, obtendremos la expresin encontrada anteriormente para la corriente inversade saturacin de la juntura:

+=

n

Pn

p

pS L

nD

LnpDAqI 00

....


En ste caso, el signo menos indica que es una corriente inversa.

0Pp

0Pn 0np

0nn 0Pp

0Pn 0np

0nn

JUNTURA EN E UILIBRIO POLARIZACIN INVERSA

np, np,


18



La misma frmula puede expresarse de otra manera:

+= n

n

Pp

pS LA

nLAn

pqI .... 00


que nos dice que la corriente inversa de saturacin del diodo est formada por los portadores minoritariosgenerados trmicamente dentro del espacio de una longitud de difusin, a partir de los planos que formanla zona de transicin y hacia las zonas neutras.

Tremosa Pg.: 122Distribucin de las corrientes:

Como se supone que en la zona de transicin no existerecombinacin de portadores, la corriente, tanto dehuecos como de electrones, ser constante en esa zona.Sabiendo que son corrientes minoritarias de difusin,averiguamos su valor. Si sumamos los resultados,obtendremos una corriente total en la zona detransicin, pero podemos afirmar que esa misma es lacorriente que atraviesa todo el diodo.

Como las corrientes consideradas se refieren solamente a los portadores minoritarios, debemos aceptarque los portadores mayoritarios proveen la corriente necesaria para obtener la igualdad en todos lospuntos del circuito.En los planos de los contactos, es comn que toda la corriente sea conducida por los portadoresmayoritarios.

stas corrientes mayoritarias son de ambasnaturalezas: Difusin y Arrastre. Esto es porque enlas zonas neutras est presente un campo elctricomuy dbil, cuyo efecto sobre los portadoresminoritarios es despreciable, pero sobre losmayoritarios es de un orden importante. Al ser delas dos naturalezas, el clculo de la corrientemayoritaria resulta complicado. Pero se facilita sucomprensin viendo el grfico. Si la corrientecalculada para la zona de transicin es la mismapara toda la juntura, conociendo las corrientesminoritarias, podemos saber que las mayoritarias

componen el resto de la corriente para alcanzar latotal.Tremosa Pg.: 124

El diodo real:

En el diodo real, el comportamiento no es exactamente como el descrito hasta ahora. Las razones de stadivergencia son:

a) Cadas de tensin asociadas a los campos elctricos en las zonas neutras. Provoca la existencia de una resistencia en serie con el diodo.

b) Generacin y recombinacin de portadores en la zona de transicin. Provoca que las corrientes en la zona de transicin no sean constantes, como se ve en el

siguiente grfico:


19



c) Corrientes de fugas sobre las superficies de las junturas. Provoca una variacin en la curva de polarizacin inversa del diodo, sobre todo en el

Silicio.d) Ruptura debida a tensiones inversas excesivas.

Provoca la regin Zner del diodo.Tremosa Pg.: 128

Capacidades de transicin y de difusin:

Ancho de la juntura:

Basndose en la aproximacin del vaciamiento, se llega a una distribucin lineal, idealizada, en ladistribucin de cargas y campos elctricos. Para poder determinar los efectos capacitivos de la

juntura, usando sta aproximacin, debemos conocer el ancho de la zona de carga espacial, con locual conoceremos la distancia entre las placas del capacitor que asociamos a la juntura.

El ancho de dicha zona es:

( )

+

=

AD NNq

VVl

11..2 0


Tremosa Pg.: 130Capacidad de Transicin:

Si se aplica una tensin V a una juntura (generalmente en polarizacin inversa) y se provoca unavariacin dV, las cargas almacenadas en la zona de transicin de la juntura varan en dQ . Unavariacin de cargas almacenadas al variar la tensin aplicada, implica un efecto capacitivo. Sedefine como capacidad de Transicina:

l

A

dV

dQCj

.==


donde l es el ancho de la juntura deducido anteriormente, es la constante dielctrica delsemiconductor, y A es el rea transversal del diodo. Obsrvese que la frmula es idntica a la deun capacitor de placas paralelas.

En ste caso, la distancia l vara con la tensin aplicada al diodo y, por lo tanto, vara lacapacidad. sta propiedad se utiliza para disponer de capacidades variables electrnicamente, ycuando al diodo de juntura se lo utiliza aprovechando sta propiedad se lo llama Varactor oVaricap.

Hemos visto que al polarizar en inverso una juntura se genera una capacidad de transicin. Ellatambin existe cuando se polariza en directo al diodo, pero en esas condiciones la corriente


20



directa, de gran valor, enmascara su efecto. Veremos que en esas condiciones, hay una capacidadms importante.

Tremosa Pg.: 133Capacidad de Difusin:

Cuando polarizamos la juntura en directo, y variamos la tensin aplicada, aparece una nuevacapacidad, denominada capacidad de Difusin:

( ) TVV

nppoD eLnLnpTk

AqC ...

..2 02

+=


sta capacidad es directamente proporcional a la corriente del diodo.Tremosa Pg.: 135

Dinmica de los diodos de Juntura

Generalidades:

Existen dos causas principales que provocan corrientes en el diodo cuando la tensin vara:a) Variacin de la carga almacenada en las zonas neutras:

Existir corriente de inyeccin de portadores para aumentar o disminuir la cantidad de portadoresalmacenados en las zonas neutras. La inyeccin de portadores minoritarios en una zona neutrasignifica el arrastre de portadores mayoritarios en sentido contrario, para mantener esaneutralidad. Es as como se almacenan, en una misma zona, portadores mayoritarios yminoritarios, vale decir, cargas positivas y negativas en cantidades iguales. La similitud con uncondensador, en el cual siempre se almacenan cargas iguales y de distinto signo, es muy grande.La diferencia fundamental, es que en la juntura, la distribucin de cargas es espacial y nosuperficial.

b) Variacin de la carga almacenada en el dipolo de cargas fijas, en la zona de transicin de lajuntura:Habr corriente en los terminales del diodo, pues una variacin en las cargas fijas significa unflujo de electrones y lagunas que son las que las neutralizan. No debe olvidarse que el aumento delas cargas fijas se debe a que electrones y lagunas, en iguales cantidades, se retiran de la zona detransicin; y la disminucin se debe a que electrones y lagunas, en iguales cantidades, fluyenhacia la zona neutralizando cierto nmero de iones. Este efecto de almacenamiento y variacin decargas es tambin similar, en muchos aspectos, a un condensador.

Tremosa Pg.: 137Dinmica de los excesos de portadores minoritarios:

En todas las consideraciones que siguen se ha supuesto una juntura np +

. De sta manera la inyeccinde portadores en la juntura consistir casi exclusivamente en lagunas que irn de la zona +p hacia lazona n . Los electrones inyectados en sentido contrario son muy pocos debido a la baja contaminacin dela zona n .Debemos prestar especial atencin a las cargas almacenadas en las zonas neutras, pues son lasresponsables en mayor grado de los fenmenos que ocurren en la conmutacin.Realizando algunos procedimientos de anlisis, obtenemos una segunda ecuacin para la corriente deldiodo, dependiente de variables muy diferentes a las de la ecuacin anterior, vale decir, sta segundadepende de la carga almacenada en la zona neutra:

( )

p

np pLAq

I

0... =


21



Podemos entonces, a partir de ste anlisis, aadir un trmino a la corrientedel diodo que tenga en cuenta los efectos dinmicos. As, asemejamos a la

juntura con un circuito RC en paralelo.

dt

dqqi p

p

p+=

La siguiente figura representa la distribucin de cargas en la zona neutra N del diodo cuando la tensinaplicada v vara rpidamente:

El valor instantneo de la tensin es el mismo para las trescurvas, pues la concentracin inicial es la misma. Pero laprimera (1), indica que la velocidad de variacin de la tensines grande y su magnitud aumenta en valor absoluto; lasegunda (2), representa la distribucin estacionaria, o seacuando la velocidad de variacin de la tensin es baja, y latercera (3), indica que la velocidad de variacin de la tensines grande y su magnitud disminuye en valor absoluto.

Tremosa Pg.: 138Transitorio de conexin y desconexin:

El transitorio de conexin representa el tiempo necesario para que la tensin y la corriente se estabilicen,llevando el sistema a rgimen permanente.El transitorio de desconexin representa el tiempo necesario para que el diodo anule la corriente, llevandoal sistema al nuevo rgimen permanente.Utilizando el diodo en conmutacin, el comportamiento esperado sera que obtuvisemos que deje pasarla corriente en el hemiciclo positivo, y que bloquee totalmente el hemiciclo negativo. En la realidad, estono ocurre, debido al transitorio de desconexin, que implica hacer regresar a su zona de origen losportadores almacenados en las zonas neutras, implicando una corriente inversa, durante un cierto tiempo.

Mientras el diodo est polarizado en inverso, en las zonas neutras se generan portadores por efecto de laagitacin trmica. En los bordes de cada zona, los portadores minoritarios generados dentro de unadistancia de una longitud de difusin se difundirn hacia la zona de transicin, y el campo los impulsarhacia el otro lado donde son mayoritarios. Dichos portadores en exceso que aparecen en cada zona, sernextrados por la fuente mediante la polaridad inversa que tiene. De ste modo se preserva la neutralidad.En el estado de polarizacin directa, los portadores minoritarios inyectados en cada zona se recombinanpor difusin, a medida que se alejan de la juntura, con los mayoritarios de esa zona. Este flujo demayoritarios que desaparecen es devuelto por la fuente mediante la polaridad directa, restableciendo laneutralidad.

Denominaciones de los tiempos puestos en juego:

frt = tiempo de recuperacin directa: Es el tiempo que tarda la tensin en ir del valor de tensininversa, al valor de tensin de trabajo del diodo.

rrt = tiempo de recuperacin inversa: Es el tiempo que tarda la tensin en ir del valor de tensin detrabajo del diodo, al valor de tensin inversa. Tambin es el tiempo que tarda la corriente inversa enrecuperarse en el valor de SI . Est compuesto por dos retardos:

st = retardo por almacenamiento: Va desde el instante en que se conmuta de directo a inverso,hasta el instante en que la tensin se hace 0 en el diodo. Tambin es el tiempo que dura la corrienteinversa en el valor RI .

tt = retardo de transicin: Tiempo que toma la corriente inversa en ir desde RI hasta SI .


22



Los siguientes grficos y su explicacin aclaran la situacin:

En la figura (a)se representa el voltajeaplicado al circuito serie con unaresistencia y un diodo.Desde 0 hasta 0 la tensin es positiva, ydesde 0 hasta 0 es negativaEn la figura (b) vemos que, en elhemiciclo positivo, la corriente fluyenormalmente, siguiendo la ley de Ohm,pero no as en el hemiciclo negativo,donde esperbamos que no existieracorriente. Lejos de ste caso, al haberportadores almacenados en la zonacontraria a cada tipo, debido a la corriente

directa que antes circulaba, se estableceuna corriente inversa para devolverlos a suzona de origen o recombinarlos, duranteun cierto tiempo st . Luego sta corrientecomienza a disminuir, hasta que seestaciona en el valor SI , que es lacorriente inversa del diodo.En la figura (c), se representa la carga enel capacitor de las zonas neutras. Se veque asintticamente se carga el circuito, yque cuando la corriente es inversa, se

descarga, pero al llegar al valor SQ , sequeda en l (haciendo la relacin con la

SI ).En la figura (d)se representa la tensin enel diodo, en su polarizacin directa einversa.

Las siguientes figuras representan las variaciones de las cargas en las zonas neutras y su distribucin:

El punto ( )0np crece desde el valor inicial 0np ,

al valor final en rgimen permanente.

La corriente en la zona neutra circulaexclusivamente por difusin. A partir de ste

principio, podemos determinar el ngulo .


23



El ngulo ser:pDAqR

V

...tan = , donde el doble signo representa que puede ser utilizado tanto en la

conexin como en la desconexin. La necesidad de un ngulo constante nace de la imposicin delcircuito de una corriente constante, y determina la deformacin de las curvas de distribucin deportadores de ambas figuras. Desde un comienzo se supuso una tensin con una resistencia en seriegrande respecto a la del diodo, entonces la corriente ser constante y por lo tanto el ngulo tambin. Espor eso que depende de la tensin y de la resistencia. La deformacin penetra ms cuanto mayor es lavelocidad de conmutacin. La condicin fundamental de un diodo que pretenda conmutar rpidamente esun bajo valor de tiempo de recombinacin.

Tremosa Pg.: 141 y Guinzburg Pg.: 9-3

UNIDAD II: DIODOS DE JUNTURADiodo de juntura P-N

Diodos reales:

Como ya hemos visto, el diodo es un dispositivo semiconductor de juntura P-N.Su curva caracterstica es la siguiente (diodos de Germanio y de Silicio)

Esta curva deriva de la ecuacin que relacionacorriente y tensin en el diodo, pero teniendo encuenta todos los efectos que en l se producen,vale decir: resistencia de las zonas neutras,regin de Zner o avalancha, fugas de corriente,etc.Como podemos ver, existe una cierta tensin enpolarizacin directa a partir de la cual, el diodose comporta prcticamente como uncortocircuito. Llamaremos a esa tensin TV (distinta a la tensin trmica que hemos vistohasta ahora). sta difiere en ambos materiales, ytoma los valores:

( )

( )GeV3,0

SiV7,0

T

T

V

V

Si tomamos en cuenta los efectos de la temperatura en la curva del diodo, veremos que a mayortemperatura, la curva se acerca ms al eje de las y en polarizacin directa y se aleja ms del eje de las x en polarizacin inversa.

Boylestad Pg.: 15Niveles de resistencia:

Resistencia esttica o de DC:

Como vemos, la curva del diodo no es lineal, sino que su pendiente vara de un punto a otro. Estapendiente determina la resistencia del diodo, en el punto de operacin, la cual no es una constantecomo en los elementos resistivos que cumplen con la ley de Ohm. sta resistencia depende delpunto en el que operemos al dispositivo.Determinamos un nivel de resistencia esttica cuando aplicamos corriente continua al diodo, ydeterminamos un punto en la curva.


24



D

DD I

VR =

Vemos entonces, que a menor corriente, mayor ser laresistencia del diodo.

Resistencia dinmica o de AC:

Cuando al diodo le aplicamos una corriente alterna, elpunto variar horizontal y verticalmente. Determinamosas un nivel de resistencia dinmica, con las variacionessobre la recta tangente al punto de trabajo.

tangentelasobreD

Dd I

Vr

=

Pero no siempre podemos determinar la recta tangente.Entonces teniendo los dos puntos extremos, determinamosla secante y obtenemos una resistencia promedio:

secantelasobre

av

D

D

I

Vr

=

sta resistencia slo es vlida como aproximacin cuandola excursin de la seal es amplia.

Podemos aproximar el valor de la resistencia dinmica, aplicando la derivada a la ecuacin deldiodo, y obtendremos:

Dd I

rmV26

=

para Germanio y Silicio, pero slo en las condiciones en que el punto de trabajo se encuentre enla regin linealde operacin del diodo.

En todos los clculos anteriores no se ha tenido en cuenta la resistencia propia del semiconductor,que puede agregarse como un trmino ms en las frmulas, en caso de conocerla.

Boylestad Pg.: 20Modelos aproximados (Circuitos equivalentes):

Como hemos visto, el diodo real necesita un cierto voltaje TV para encenderse, adems de tener una

cierta resistencia avr . Entonces, la complicada curva del diodo ideal puede reemplazarse por un modeloequivalente de segmentos lineales, y el diodo real puede reemplazarse en un circuito por un equivalente

de tres componentes, que incluye un diodo ideal. Dicho reemplazo simplifica mucho el anlisis para lautilizacin en polarizacin directa.


25



Dependiendo de las condicionesdel circuito, podemos despreciaralguno de los componentes delmodelo anterior. Por ejemplo, si laresistencia de la red es mucho

mayor que la del diodo, podemosdespreciar sta ltima, o si latensin utilizada en la red esmucho mayor que la de encendidodel diodo, podemos despreciar lafuente del modelo, y cumpliendoambas condiciones a la vez,obtenemos el comportamiento deun diodo ideal.

Boylestad Pg.: 26Anlisis por medio de la recta de carga:

Se puede dibujar una lnea recta sobre las caractersticas del dispositivo que represente la carga aplicada(o mejor dicho a la red). La interseccin de la recta con las caractersticas, determinar que punto detrabajo esttico Q . Tomemos el siguiente circuito serie:

Aplicando la ley de voltaje de Kirchoff y reordenando las variables,obtenemos una ecuacin para la recta de carga:

DD VRR

EI .

1=


Definimos dos puntos que nos ayudana graficar:1. Sobre el eje DI , DV vale 0,

entonces marcamos el punto

R

EID =

2. Sobre el eje DV , DI vale 0,entonces marcamos el punto

EVD = 3. Trazamos la recta.

El anlisis es el mismo si tenemos en cuenta los equivalentes para el diodo real, y obtendremos resultadosmuy similares a los que llegamos sin aproximaciones.

Boylestad Pg.: 56Aplicaciones de diodos:

Rectificadores:

Como la principal caracterstica del diodo ideal es conducir la corriente en un solo sentido, si leaplicamos una corriente alterna, conducir slo un hemiciclo de sta. En eso se basan los circuitosrectificadores.


26



Rectificador de media onda:Est conformado por un diodo y una resistencia de carga.Durante el hemiciclo positivo de la onda, el diodo estencendido, y la onda pasa tal cual es. Durante el hemiciclonegativo, el diodo est apagado, y no hay tensin en la

carga.La seal de salida tiene un valor promedio de continua quees:

maxmaxdc .318,0

VVV ==

Por supuesto, el diodo debe tener un voltaje de pico inversodado por:

maxPIV V /*Estudiar el desarrollo*/

Rectificador de onda completa (puente):Est conformado por cuatro diodos formando un puente. Durante elhemiciclo positivo de la onda, la seal pasa por el diodo 2, la resistenciay el diodo 3, dejando en la carga la misma forma que en la entrada.Durante el hemiciclo negativo, la onda positiva pasa por el diodo 4, laresistencia y el diodo 1, dejando la misma seal que en la entrada, peroinvertida sobre el eje horizontal. Tenemos as dos hemiciclos positivosen la salida.La seal de salida tiene un valor promedio de continua que es:

maxmaxdc

.2.636,0

VVV ==

El diodo debe tener un voltaje de pico inverso dado por:

maxPIV V /*Estudiar el desarrollo*/

Rectificador de onda completa (con transformador conpunto medio):Este rectificador da el mismo resultado que el de puente, sloque aqu se requieren 2 diodos y un transformador conderivacin central o punto medio.Durante el hemiciclo positivo de la seal, funciona el diodo 1, y

el 2 est apagado. La seal se replica en la resistencia.Durante el hemiciclo negativo, funciona el diodo 2, y el 1 estapagado, pues el nodo del nmero 2 ahora es positivo. La sealse replica de manera positiva en la resistencia.La seal de salida tiene un valor promedio de continua que es:

maxmaxdc

.2.636,0

VVV ==

El diodo debe tener un voltaje de pico inverso dado por:

max.2PIV V /*Estudiar el desarrollo*/

Boylestad Pg.: 74


27



Recortadores:

Recortadores simples en serie (diodos ideales)POSITIVO NEGATIVO

Recortadores polarizados en serie (diodos ideales)POSITIVOS NEGATIVOS

Recortadores simples en paralelo (diodos ideales)POSITIVO NEGATIVO

Recortadores polarizados en paralelo (diodos ideales)POSITIVOS NEGATIVOS


Boylestad Pg.: 81


28



Sujetadores:

Estos circuitos se basan en la aplicacin de los diodos en paralelo con una resistencia y con uncapacitor en serie, el cual se carga y se descarga, generando un desplazamiento de la onda. Loimportante es que la onda se desplaza, peromantiene el largo(distancia de pico a pico).


Boylestad Pg.: 88Compuertas lgicas:

AND OR

Cuando los dos terminales estn en alto,en la salida hay un estado alto debido aque la diferencia de potencial en losdiodos es 0.Cuando alguno est en bajo, ese diodo sepolariza en directo y el voltaje en lasalida es el voltaje del diodo ( V7,0 )

Cuando los dos terminales estn en bajo,la salida es un estado bajo, porque no haytensiones en la red.Cuando alguno est en alto, ese diodoconduce y hay tensin en la resistencia, ypor lo tanto en la salida hay un voltaje de

V3,9 /*Estudiar el desarrollo*/

Boylestad Pg.: 72


29



Otros diodos de juntura

Diodo Zner:

El diodo Zner puede trabajar en base a dos

principios fundamentales: efecto tnel y efectoavalancha. En ambos casos las curvas son iguales,pero internamente responden a fenmenos fsicosdistintos. El smbolo para ste dispositivo es el quese ve en la figura. Tambin vemos aqu su curvacaracterstica.

Diodo Zner por efecto tnel:

Se trata de una juntura ++ np , altamente contaminada pero sin llegar a que el nivel de Fermi sesolape con las bandas, sino que queda levemente cercano. El efecto tnel en sentido inverso seproduce slo despus de aplicar una pequea tensin inversa ZV .En sentido directo, el diodo se comporta como una junturap-n normal. El efecto tnel en sentidoinverso slo puede producirse cuando la distancia l (ancho de la zona de transicin) es pequea,vale decir, cuando las contaminaciones de ambas zonas son relativamente fuertes.

Si las contaminaciones son menores, el ancho de la juntura es demasiado grande, por lo que antesque el campo elctrico llegue al valor crtico necesario para que se produzca tunelamiento, seproduce un nuevo efecto, llamado avalancha, que determina tambin un valor de tensin Zner.

Con ste principio se fabrican diodos Zner con bajas tensiones de Zner.

La caracterstica trmica de stos dispositivos, es que al aumentar la temperatura, disminuyela tensin Zner.

Diodo Zner por efecto avalancha:

En una junturap-n, con polarizacin inversa, el campo elctrico en la zona de carga espacialacelera a los portadores minoritarios generados por efecto trmico a ambos lados de la juntura.Estos portadores minoritarios determinan la corriente de saturacin inversa. Si la tensin esexcesiva, los portadores minoritarios que determinan SI se mueven con tal velocidad quepueden, al hacer impacto sobre los tomos del cristal, provocar la ionizacin de los mismos. Conesto, se generan nuevos pares de portadores, que volvern a chocar con otros tomos, y

desprender nuevos pares de portadores, y as sucesivamente. ste es el llamado efecto avalancha,que produce en la curva una pendiente altsima, ya que en ese valor crtico de tensin ( ZV ) lacorriente tiende a infinito.

Con ste principio se fabrican diodos Zner con medias y altas tensiones de Zner.

La caracterstica trmica de stos dispositivos, es que al aumentar la temperatura, aumenta latensin Zner.

Tremosa Pg.: 287Aplicaciones: Regulador paralelo:

Los pasos a seguir para el anlisis de los circuitos que incluyen un diodo Zner, son lossiguientes:


30



1. Determinar el estado del diodo Zner (encendido/apagado) mediante su eliminacin delcircuito y por medio del clculo de del voltaje a travs de ese circuito abierto.

2. Sustituir por el circuito equivalente apropiado (fuente de tensin con voltaje ZV en elcaso que el diodo est encendido) y resolver para las incgnitas deseadas.

Utilizando el dispositivo como regulador de tensin en paralelo, con una tensin iV fija, debemostener frmulas que nos permitan determinar entre qu rangos debe estar la resistencia de cargapara que el diodo est encendido.

Zi

ZL VV

VRR

=

.min

ymin

max

L

ZL I

VR =

min

max

L

ZL R

VI = y ZMRL III =min

Donde ZMI es el dato de corriente mxima quesoporta el diodo.

Utilizando el dispositivo de la misma manera, pero con una resistencia LR fija, debemosdeterminar entre qu rangos debe estar la tensin de entrada para que el diodo est encendido:

( )

L

ZLi R

VRRV

.min

+= y ( ) ZLZMi VRIIV ++= .max


Boylestad Pg.: 92Diodo Tnel:

El efecto tnel es un mecanismo cuntico, mediante el cual un electrn puede vencer barreras de potencialmayores que la energa cintica que posee. Se produce slo entre estados con la misma energa.

Un diodo tnel est formado por una juntura ++ np , cuyo diagrama de energas en equilibrio es elsiguiente:

Se observa que tanto la zonapcomo la zona nestn muycontaminadas. La ubicacin del nivel de Fermi en amboscasos, fuera de la banda prohibida, as lo indica. Esto ocasionaque el ancho de la juntura sea relativamente pequeo, y atravs de l surgir una barrera de potencial 0V . sta barrera

ser superada por tunelamiento por los portadores, debido alpequeo ancho de la juntura.

Vemos a continuacin la curva caracterstica decorriente y tensin.


31



La mejor manera de explicar el funcionamiento, es a travs de los diagramas de energas:

En ste caso la polarizacin es inversa y los electronespasan, por efecto tnel, de la banda de valencia de lazonap+a la banda de conduccin de la zona n+. Latransicin ocurre entre niveles energticos iguales. El

efecto tnel se produce debido al pequeo ancho de labarrera de potencial. La poca probabilidad detunelamiento se compensa con la gran cantidad deportadores en el intervalo de energa. Al aumentar latensin inversa, aumenta el intervalo de energa, ypor lo tanto la corriente inversa.

La polarizacin ahora es directa, pero la barrera depotencial es an suficientemente grande como paraque los electrones no puedan vencerla por agitacintrmica normal. Hay electrones de conduccinenfrentados dentro de un rangoEcon estados vacosy permitidos en la banda de valencia opuesta. Elefecto tnel se produce y la corriente directa aumenta

a medida que aumenta el intervalo de energa deenfrentamiento.

En sta zona el enfrentamiento de intervalos deenerga es mximo, y por lo tanto se produce lamxima corriente por efecto de tunelamiento.Estamos en la zona de pico, donde se determinan losparmetros de Corriente de Pico y Tensin de Pico(Punto 3 de la curva).

El intervalo de energa enfrentado comienza adisminuir nuevamente.

El intervalo de energa enfrentado es ahora nulo, y porlo tanto la conduccin de corriente comienza a

comportarse siguiendo los principios de una junturap-n normal.Estamos en la zona de valle, donde se determinan losparmetros de Corriente de Valle y Tensin de Valle(Punto 5 de la curva).

Aqu el comportamiento es similar a un diodo dejunturap-n normal.


32



Las caractersticas que presenta ste dispositivo en su polarizacin inversa, hace que se utilice en elcampo de la conmutacin a alta velocidad, debido a que, como la conduccin es de naturalezaondulatoria, no existe tiempo de trnsito ni almacenamiento de portadores.

En la zona que va desde el punto de Pico (3) y el punto de Valle (5), la resistencia dinmicaes negativa,

ya que una excursin positiva de tensin establece una excursin negativa en la corriente. Estecomportamiento no afecta la resistencia esttica, ya que los valores puntuales son ambos positivos.sta resistencia negativa no implica que el dispositivo genere energa, sino que transforma la energaque recibe en corriente continua, en energa de corriente alterna.

Si trazamos la recta de carga de la red donde aplicamos el circuito, vemos que puede trazar hasta trespuntos de operacin en las caractersticas. Los puntos donde la resistencia es positiva, se llaman estables,porque un pequeo cambio no altera el estado. El punto en la zona de resistencia negativa se llamainestable, pues un pequeo cambio en la red lo lleva a la zona estable. Para poder trabajar de maneraestable con la resistencia negativa, debemos elegir parmetros de la red para que la recta de carga toqueslo al punto en esa zona. Esto se hace con altas corrientes y bajas tensiones.

Tremosa Pg.: 281

Aplicaciones: Osciladores:

Es posible utilizar el diodo tnel para generar un voltajesenoidal simplemente mediante una fuente de corrientecontinua, un circuito tanque y un diodo tnel, que,polarizado en la regin de resistencia negativa,compensa la resistencia interna de la bobina, paraeliminar la componente de amortiguamiento del circuito.La red quedara como en la figura, y el diseo se limita aencontrar las condiciones para lograr la polarizacin enla regin mencionada.

Boylestad Pg.: 898Diodo Schottky:

El diodo Schottky es un dispositivo formado uniendo un metal con un semiconductor(generalmente tipo n).Su smbolo es el que se ve en la figura.

Los niveles energticos de un metal y un semiconductor son, individualmente, como muestra la figura:


33



Y cuando realizamos la unin, los niveles energticos quedarn as:

La barrera de potencial disminuir para la polarizacin directa, ya que hay un aumento de la energa deFermi en el semiconductor, y por lo tanto corriente de electrones hacia el metal. Entonces, tomando unaunin n-metal, y polarizndola en forma directa (es decir, el terminal negativo al semiconductor tipo n),existe corriente debido a los electrones del semiconductor que pasan al metal.La barrera de potencial aumentar en condiciones de polarizacin inversa, ya que hay una disminucin dela energa de Fermi en el semiconductor, y por lo tanto mayor dificultad para que los electrones del metalpasen al semiconductor. Entonces, si polarizamos al diodo Schottky en forma inversa (positivo al lado n),no existe corriente.

Las principales caractersticas de ste dispositivo son:

Para una determinada corriente, presenta menor cada de tensin que un diodo comn. Los portadoresque determinan la corriente son exclusivamente mayoritarios, por lo que no

hay almacenamiento de cargas y el tiempo de almacenamiento es prcticamente nulo. Esto lepermite al diodo Schottky trabajar en conmutacin a altas frecuencias.

Al saber esto surge una pregunta: En qu difiere un diodo Schottky de un contacto metal-semiconductorcomn? La respuesta es: en el nivel de Fermi del metal. Para un semiconductor tipon, ser diodoSchottky la unin cuyo metal tenga una energa de Fermi inferior a la del semiconductor, y ser uncontacto hmico la unin cuyo metal tenga una energa de Fermi superior a la del semiconductor. Para unsemiconductor tipop, ser a la inversa.

Contactos hmicos:Si el nivel de Fermi del metal es mayor al del semiconductor tipo n (o inferior al del tipop), los electronesno enfrentarn barreras de potencial para su flujo, en ninguna de sus dos direcciones, vale decir, delsemiconductor al metal y viceversa. Por lo tanto se comportarn como simples contactos. Esto es de granutilidad para poder conectar dispositivos semiconductores con terminales que permitan su aplicacinelectrnica.

Tremosa Pg.: 293 y Boylestad Pg.: 889Diodo Varicap (o Varactor):

Los diodos varactores son capacitores de semiconductor variables y dependientes del voltaje. Su modo deoperacin depende de la capacidad de transicin que existe en la uninp-ncuando sta se polariza eninverso. Mientras ms se polariza en inverso, menor es el ancho de la zona de transicin, y por lo tanto,

mayor es la capacidad. sta se define como:


34



dT W

AC .=

donde es la permitividad de los materiales semiconductores, A es el rea de la unin y dW es ancho

de la zona de transicin.

Si queremos relacionar la capacidad de transicin respecto del voltaje inverso aplicado, podemoscalcularla aproximadamente como:

( )nRTT

VV

KC

+=

donde Kes una constante determinada por el material y la tcnica de construccin, TV es el voltaje de

encendido del diodo, RV es el voltaje inverso aplicado, y 2/1=n para uniones de aleacin y 3/1=n

para uniones de difusin.

Tambin, en trminos de la capacidad en la condicin de polarizacin cero ( )0C , podemos expresarlacomo:

( ) ( )

( )nTRRT

VV

CVC

+

=

1

0

stos diodos se utilizan para controlar la sintonizacin, a travs de la variacin de la capacidad del diodo,mediante la variacin de la polarizacin aplicada al mismo. Esto permite controlar electrnicamente lafrecuencia de resonancia.

Boylestad Pg.: 892


35



UNIDAD III y IV: TRANSISTORES BIPOLARES

Anlisis Inicial

Construccin y Caractersticas del BJT:

Un transistor es un dispositivo semiconductor de tres terminales. Se construye de la siguiente manera:

Transistor PNP:

Transistor NPN:

La Flecha del smbolo define el sentido convencional de la corriente que circula por ese terminal.Boylestad Pg.: 131

Convenciones y Nomenclaturas:

Boylestad Pg.: 133

E C

B

CEV

EBV CBV

E C

B

EI CI

BI

Transistor NPN

E C

B

EI CI

BI

Transistor PNP

N++(altamente

impurificado)

P(poco

impurificado)(tamao

pequeo)

N(normalmenteimpurificado)

Emisor

Base

Colector

E C

B

Smbolo

P++(altamente

impurificado)

N(poco

impurificado)(tamaopequeo)

P(normalmenteimpurificado)

Emisor

Base

Colector

E C

B

Smbolo


36



Funcionamiento con polarizacin normal:

Describiremos el accionar del transistor PNP, dejando en claro que para el NPN invertimos la polaridadde la fuente, y reemplazamos huecos por electrones y viceversa.

El funcionamientose describe de la siguiente manera:1. La juntura P-N que hay entre emisor y base se polariza en directo.2. Como la parte tipo P de esa juntura est muy dopada, hay un gran flujo de huecos hacia el lado N.

Una parte de esos huecos inyectados en el lado P se recombinan con electrones provenientes de lacorriente de base en ese mismo lado.

3. Como la zona N est poco dopada y es pequea comparada con su longitud de difusin, granparte de los huecos seguir hacia el otro lado P por difusin(debido a que es una zona neutra).Una pequea parte se recombina con electrones provenientes de la corriente de base.

4. Como la juntura N-P que hay entre base y colector est polarizada en inverso, se genera uncampo elctrico que favorece el flujo de huecos hacia el lado P. Esos huecos logran salir a travsde la corriente de colector.

5. Existe tambin una pequea corriente entre base y colector debida a la polarizacin inversa. Aella la llamamos COI .

Hay ciertas consideraciones importantesa tener en cuenta sobre el funcionamiento del transistor: Siempre polarizo en directo la juntura de entrada (Emisor-Base) y en inverso la de salida (Base-

Colector). La tensin aplicada a la juntura Base-Colector no modifica la cantidad de portadores, slo

favorece ms o menos su movimiento hacia la salida. Los portadores son controlados a travs delvoltaje aplicado a la juntura Emisor-Base, o sea que la difusin a travs de la base es la que limitael nmero de portadores que llegan al colector.

Resumiendo las corrientes en el transistor vemos que:

E

B

C

P N P

EI CI

BI

COI EBI

ECI

E

B

C

P N P

gran parte de los

huecos pasa delargo y sale por

colector

huecos

huecos elect

h

e

EI CI

BI

ECOI

EEV CCV


37



Definiremos dos parmetros importantesa la hora de analizar los efectos de la corriente contnua en eltransistor:

Alfa:

Definimos ste factor comoE

EC

I

I= .

Beta:

Llamado tambin FEh o ganancia, lo definimos como:EB

EC

I

I=

La relacin entre estos dos factores es la siguiente:

=

1y

+=

1

Conociendo stos dos factores, podemos definir ecuaciones fundamentales del transistor:

BEC III +=

COEC III += . /*Estudiar la demostracin*/

( ) COBC III .1. ++= /*Estudiar la demostracin*/

Y de ellas podemos aproximar ecuaciones prcticas para resolver los circuitos:

EC II

BC II .=

( ) BE II .1+= /*Estudiar las deducciones*/

Tambin podemos afirmar (aproximadamente) que V7,0=BEV por ser juntura P-N en directo.

Boylestad Pg.: 132Efecto Early:

El efecto Early nos muestra que existe un cierto lmite para el aumento de CBV . Esto se da porque, alaumentarlo, la Zona de Transicin Base-Colector aumenta de tamao debido a la polarizacin inversa, loque hace disminuir el tamao fsico de la Base. Lo mencionado trae como consecuencia que aumente el y, por ende, aumente CI . Llega un momento en que la disminucin del tamao de la Base llega ahacerla desaparecer, y se produce una PERFORACIN del transistor, provocando su destruccin.

BUSCAR ALGN LIBRO.:


38



Configuraciones:Base Comn:

Esta configuracin sita la corriente de entrada( EI ) como funcin de la polarizacin Base-Emisor,

respecto al parmetro de polarizacin Colector-Base, y a la corriente de salida ( CI ) como funcinde la polarizacin Colector-Base, respecto alparmetro de la corriente de Emisor.

Curvas Caractersticas:CURVA DE ENTRADA

Para un valor de BEV constante, a un aumento de

CBV le corresponde un aumento de EI . Esto se

debe a que al aumentar CBV , la zona de transicinde la juntura de colector aumenta (polarizacininversa), disminuyendo el ancho efectivo de labase. Esto hace que, como la distancia en la base esmenor, la pendiente de la concentracin deportadores ser ms negativa, ocurriendo msdifusin de portadores, y por lo tanto dejando pasarms corriente desde el emisor.

CURVA DE SALIDA

Boylestad Pg.: 134Emisor Comn:

Es la configuracin ms utilizada. En la entradarelaciona la corriente de Base con el voltaje entreBase y Emisor, con el parmetro CEV . En la salida,vincula la corriente de Colector con el voltaje entreColector y Emisor, con parmetro en la corriente de

Base. Es decir que controlamos la corriente deColector, a travs de la corriente de Base.


39



Curvas Caractersticas:

CURVAS DE ENTRADA

CURVAS DE SALIDA

En la curva de entrada, si CEV aumenta para un valor fijo de BEV , la BI disminuye. Esto se debea que con la disminucin del tamao de la base, hay menos probabilidad de recombinacin, y porlo tanto, la corriente de base debe reponer menos cantidad de portadores recombinados.Vemos que las curvas de salida se acercan a medida que BI aumenta. Esto se debe a que disminuye. La pendiente en las curvas se debe al Efecto Early.

Boylestad Pg.: 139Colector Comn:

En sta configuracin se relacionan, en la entrada,los mismos parmetros que para Emisor Comn. Enla salida igual, slo difiere que en sta se grafica EI

en funcin de CEV para un rango de valores de BI .

Curvas Caractersticas:

Son iguales que para el caso de Emisor comn, slo que se reemplaza CI por EI en las curvas de

salida. Boylestad Pg.: 146Lmites de Operacin:

Las hojas de especificaciones de los transistores nos brindan informacin acerca de los valores nominalesmximos, mnimos y tpicos de los parmetros ms importantes de los dispositivos.Algunos de estos parmetros son:

maxCI

satCEV

maxCEV

maxCP etc. Si los tomamos en cuenta a la hora de

trabajar con un transistor determinado, podemos definir los lmites de operacin en zona activa. Ademsde las Zonas de Corte y de Saturacin, podemos demarcar una zona de corriente mxima, una de tensinmxima y una de potencia mxima. Esta ltima se define a partir de la definicin de potencia, ydespejando la corriente como variable dependiente. Obtenemos una hiprbola cuya ecuacin es:

CE

CC V

PI max=


40



La regin de operacin ser entonces:

Boylestad Pg.: 147

Anlisis en Corriente Continua

Polarizacin del transistor bipolar:

Para usar el transistor como amplificador de una seal de AC, necesitamos proporcionarle la energa decorriente continua que convertir en energa de corriente alterna, amplificando la seal de entrada.

Por supuesto que el punto de trabajo Q debe estar dentro de los lmites de operacin.Boylestad Pg.: 163

Estabilizacin de la polarizacin:

Las distintas configuraciones de polarizacin que veremos, difieren en su estabilidad ante cambios detemperatura y de transistor. Cuando la primera aumenta, algunos parmetros cambian, provocandocambios en el sistema que no son deseables. Cuando debemos reemplazar el transistor, algunosparmetros cambian, haciendo que cambien las condiciones del sistema.

Boylestad Pg.: 210Factores de estabilidad (inestabilidad):

Una manera de cuantificar esa estabilidad es a travs de la definicin de factores que nos proporcionarninformacin acerca de cunto vara la corriente de salida con el cambio de temperatura, respecto a cadafactor cambiante en el circuito.Estos factores son:

( )CO

C

CO

CCO I

I

dI

dIIS

= ( )

BE

C

BE

CBE V

I

dV

dIVS

= ( )

= CC

I

d

dIS

Cuanto ms grande es el factor, ms inestable es el sistema.

La variacin neta en la corriente CI , se determina multiplicando la variacin de cada parmetro por su

factor de estabilidad correspondiente, y sumando los resultados. Es decir:


41



( ) ( ) ( ) ++= ... SVVSIISI BEBECOCOC Boylestad Pg.: 212

Recta de carga (Polarizacin):

Si analizamos la malla de salida de los circuitos que armemos en las distintas polarizaciones, y

despejamos la corriente de salida, obtendremos la ecuacin de la recta de carga. En esa recta deberemosubicar el punto de trabajo para que nuestro transistor est bien polarizado. As trabajaremos con todas laspolarizaciones.

Boylestad Pg.: 163Polarizacin Fija:

En sta configuracin, ponemosresistencias en la base y en el colector. Searman entonces dos mallas sencillas: deentrada con un resistor y de salida con otroresistor.A continuacin estn las ecuaciones deambas mallas:

+=

+=

M.S...

M.E..

CECBCC

BEBB

VRIV

VRIVcc

Obsrvese que la magnitud de CI no

depende de la resistencia CR , la cual s

determinar el nivel de CEV .Estabilidad:

Si hacemos un anlisis cualitativo de la estabilidad de sta polarizacin veremos que:( ) ( ) ( ) ( ) ( ) CERCCCO VVIIT

ES MUY INESTABLELos factores de estabilidad sern:

( ) 1+=COIS ( )B

BE RVS

= ( )

1

1

C

IS =


Boylestad Pg.: 167Polarizacin estabilizada en Emisor:

Esta configuracin es igual a la polarizacin fija, peroagregando un resistor en el emisor. Este agregado leda un toque de estabilidad al sistema.A continuacin estn las ecuaciones de ambas mallas:

( )

( )

++=

+++=

M.S...

M.E...1.

CEECBCC

EBBEBB

VRRIV

RIVRIVcc


42



Estabilidad:Si hacemos un anlisis cualitativo de la estabilidad de sta polarizacin veremos que:

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )"""" CBBEREECCO IIVVIIIT ES ESTABLE, porque la primer tendencia de disminucin de CI se compensa con el posterior aumento.

Los factores de estabilidad sern:

( )

++

+=

BE

BE

CO

RR

RRIS

1.1

1

( )( ) EB

BE RRVS

.1

++= ( )

( )

( )EB

EBC

RR

RRIS

++

+=

21

1

1.

1.


Boylestad Pg.: 173Polarizacin con realimentacin Colector-Base:

En sta configuracin, sacamos corriente desde elcolector, creando una realimentacin. La resistencia

en el emisor puede o no estar. Si no est, lasreemplazamos en las frmulas por un valor nulo.A continuacin estn las ecuaciones de ambasmallas:

( )

++=

+++=

M.S...

M.E......

CEECBCC

EBBEBBCB

VRRIV

RIVRIRIVcc

Estabilidad:Si hacemos un anlisis cualitativo de la estabilidad de sta polarizacin veremos que:

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )"""" CBCERCECCO IIVVIIIT ES ESTABLE, porque la primer tendencia de disminucin de CI se compensa con el posterior aumento.

Para los factores de estabilidad, tomaremos la configuracin con = 0ER

( )

++

+=

BC

BC

CO

RR

RRIS

1.1

1

( )( ) CB

BE RRVS

.1

++= ( )

( )

( )[ ]21

1

1..

.

++

+=

CB

CBC

RR

RRIS


Boylestad Pg.: 186Polarizacin por divisor de tensin:

sta configuracin es la ms estable de todas. Latensin que obtenemos en la base, respecto a masa,est controlada por ser un divisor de tensin. Elprecio que pagamos por la estabilidad, es un mayorcosto, ya que usa 4 resistores, y la necesidad deobtener ms potencia de la fuente.La gran estabilidad que se obtiene es tal que hace alsistema estable en temperatura y, si se cumplenciertas condiciones, prcticamente independiente del del transistor.

Tenemos dos enfoques circuitales para resolvernuestro circuito:


43



Enfoque exacto:Se basa en la aplicacin del teorema de Thvenin entre la base y la masa, para reemplazar esa red por unafuente con tensin THV y una resistencia THR .

21

2.

RR

RV

VCC

TH += y 21

21.

RR

RR

RTH +=

Las ecuaciones de malla para ste caso quedarn determinadas como:

( )

( )

++=

+++=

M.S..

M.E...1.

CEECBCC

EBBETHBTH

VRRIV

RIVRIV

Enfoque aproximado:Podemos emplear un enfoque aproximado, si se cumple la condicin:

2.10. RRE Tomamos entonces:

21

2 .

RR

VRV CCB

+=

y aplicamos los pasos: ==E

EEBEBE R

VIVVV EC II Q

Obsrvese que para ste anlisis, si se cumple la condicin inicial las ecuaciones no contienen elparmetro , por lo tanto, la configuracin es independientedel mismo.

Estabilidad:

Si hacemos un anlisis cualitativo de la estabilidad de sta polarizacin veremos que:( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )"""" CBBEREECCO IIVVIIIT MUY ESTABLE, porque la primer disminucin de CI se compensa con el aumento instantneo.

Los factores de estabilidad sern:

( )

++

+=

ETH

CO

RR

IS

1

1.1

1

( )( ) ETH

BE RRVS

.1

++= ( )

( )

( )ETH

ETHC

RR

RRIS

++

+=

21

1

1.

1.


Boylestad Pg.: 177Transistores PNP:

Por fortuna, el anlisis de los transistorespnpsigue el mismo patrn que paralos npn. La diferencia se da en que como los portadores son diferentes, lasdirecciones convencionales de las corrientes cambian, cambiando, por lo tanto,las polaridades individuales de los elementos resistivos y el signo del voltaje dela fuente. Las polaridades de las tensiones en el transistor siguen tomando lamisma nomenclatura de los subndices, por lo tanto, parapnp, sern cantidadesnegativas. La figura aclara la situacin.

Boylestad Pg.: 209


44



El BJT en Conmutacin:Saturacin y Corte:

Recordando las zonas de operacin del transistor, donde identificbamos la zona de corte y la desaturacin, vemos que para hacerlo trabajar en esos estados, debemos lograr, o bien tensin muy

cercana a cero entre colector y emisor (saturacin) o bien corriente muy cercana a cero en lamalla de colector (corte).

Para la situacin de corte, basta con introducir una corriente de base de valor cero, con lo cual lacorriente de colector ser tambin nula, y el potencial de la fuente se ver reflejado en CEV .

Mientras que para la situacin de saturacin, debemos calcular la corriente CsatI que me produzcauna cada de tensin cero entre colector y emisor. Esto se hace, dividiendo la tensin de la fuentesobre la suma de las resistencias que tengo en la malla de salida. El caso ms general ser:

( )EC

CCC RR

VI

+=sat

Para sta corriente, necesitamos un valor de BI determinado, pero conviene que sea mayor, porcualquier variacin del circuito. Entonces tenemos que:

satCB

II >

En la realidad, CEV nunca es cero, sino un valor determinado. Este es aproximadamente en lamayora de los casos:

V3,0sat CEV

Un ejemplo claro de la aplicacin de la conmutacin en el transistor es usarlo como inversor deun voltaje aplicado en la base.A saber:

Como en Corte hay altas tensiones pero bajas corrientes y en Saturacin hay altas corrientes ybajas tensiones, generalmente no hay problemas de disipacin de potencia cuando trabajamos enesos regmenes.

Boylestad Pg.: 201Retardos en la conmutacin:

Vemos en el siguiente grfico los retardos puestos en juego en la conmutacin de un transistor

bipolar.

CV V5

t

iV V5

t


45



El tiempo total requerido para que el transistorconmute del estado de apagado al deencendido se define como:

dr ttt +=on

donde rt es el tiempo de subida de 10 a 90% del

valor final de la corriente, y dt es el tiempo quetarda en responder el transistor a la seal deentrada.El tiempo total requerido para que el transistorconmute del estado de encendido al deapagado se define como:

fs ttt +=off

donde st es el tiempo de almacenamiento y ft es

el tiempo de cada de 90 a 10% del valor final dela corriente.

Boylestad Pg.: 205Reduccin de los retardos:

Compensacin Capacitiva:

Para poder trabajar en conmutacin a altas frecuencias, debemos reducir los retardos. Unamanera de hacerlo es poner un capacitor en paralelo con la resistencia de base de talmanera que a altas frecuencias presente baja reactancia, y la corriente tienda a pasar porel capacitor. Tambin puedo aumentar el valor de la fuente de seal.El agregado del capacitor se basa en que rt se reduce al agregarlo porque existe en uninstante inicial un pico de corriente de base. Luego la misma corriente se estabiliza en suvalor normal. Cuando entre en corte, la tensin almacenada en el capacitor, har circular

una corriente inversa, mayor que la normal, que extraer ms rpidame

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