Tema1-Semiconductores y Componentes Electricos- Aplicaciones-1 %5bModo de Compatibilidad%5d

Fundamentos de Electrónica

1. Semiconductores y Componentes eléctricos. Aplicaciones

INDICE

1.1. Semiconductores intrínsecos y extrínsecos.1.2. Dispositivos Electrónicos.

a. Componentes Pasivos.b. Componentes activos

1.3. El diodo Semiconductor, características, tipos y aplicaciones de los diodos.de los diodos.

1.4. El transistor Bipolar. Modelos y aplicaciones.1.5. El transistor de Efecto de Campo (FET-MOSFET). Modelos y

aplicaciones.

1.1. Semiconductores intrínsecos y extrínsecos

La Teoría de bandas describe la estructura electrónica de un material. Se basa el hecho de que en una molécula los orbitales de un átomo se solapan produciendo un número discreto de orbitales moleculares.

Red cristalina:

Teoría de las bandas de Energía

Red cristalina:

Conjunto ordenado de átomos o moléculas ancladas entre si por medio de la energía de enlace.La distancia de separación entre objetos = R0, radio interatómico natural.


Conformación de las bandas de energía.Dentro de una banda los niveles de energía son muy numerosos ytienden a considerarse continuos:

1. La separación entre niveles.2. La energía es comparable con la incertidumbre energética.2. La energía es comparable con la incertidumbre energética.

Bandas de energía

La banda de valencia (BV): ocupada por los electrones que formanlos enlaces entre los átomos, pero no intervienen en la conduccióneléctrica.La banda de conducción (BC): ocupada por los electrones libres,pueden moverse fácilmente, son los responsables de conducir lacorriente eléctrica.

El modelo de banda de Energía caracteriza los estados de conducción eléctrica de los sólidos.


Teoría de Bandas de Energía

Comportamiento eléctrico en sólidos:

1. Conductores: existe unsolapamiento de las bandas deenergía permitidas, según laestructura cristalina.energía permitidas, según laestructura cristalina.

2. Aislantes: las bandas llenas estánlejos de las vacías y no se produceel traspase.

3. Semiconductores: los electronesalcanzan la banda de conduccióncon una determinada energíatérmica.

Distribución de Fermi:

Un macroestado determinado por el conjunto de números ni que indican el número de partículas en cada nivel energético Ei.

Función de distribución de Fermi-Dirac

indican el número de partículas en cada nivel energético Ei.

n(E)= probabilidad de ocupación en función de la energía.

EF=Nivel de Fermi, característica del material (energía que tiene la probabilidad de ocupación ½).

La función de trabajo es una propiedad fundamental para cualquiersustancia sólida con una banda de conducción.

-En un metal: el nivel de Fermi está dentro de la banda de conducción,indicando que la banda esta parcialmente llena.

Tipos de materiales

-En un aislante: el nivel de Fermi cae dentro del gap, indicando unabanda de conducción vacía; la energía mínima para arrancar unelectrón es aproximadamente la suma de la mitad del gap, y la funciónde trabajo.

-En un semiconductor ideal: el nivel de Fermi se sitúa en el centro de labanda prohibida.

Estructura de los semiconductores

Semiconductores = 4º columna de la tabla periódica.

Estructura compleja, superposición de estructuras más sencillas:Estructura del diamante, semiconductores Si y GeEstructura del Zinc-Blenda, Arseniuro de Galio.Estructura del Zinc-Blenda, Arseniuro de Galio.

Cada átomo se encuentra unido a otros cuatro mediante enlacescovalentes con simetría tetraédrica.

A temperatura ambiente, algunos electrones de valencia absorbensuficiente energía calorífica para librarse del enlace covalente ymoverse a través de la red cristalina, convirtiéndose en electroneslibres.


Portadores de carga

Movilidad de electrones y huecos =

Electrón = carga negativa, banda de conducciónHueco = carga positiva, banda de valencia

Los huecos sólo existen en el seno del cristal semiconductor.

Tipos de semiconductores

Semiconductores puros o intrínsecos:Red formada por el mismo tipo de átomos, la concentración deportadores positivos= concentración de portadores negati vos.

p=n

Semiconductores extrínsecosSe colocan en la red cristalina una determinada cantidad de á tomosde otra naturaleza (columna III o columna V).Las impurezas crean niveles de energía dentro de la banda proh ibidapróximos a las bandas de conducción o valencia.


Nc=Concentración máxima de electrones permitida en la banda de conducción.

Nv=Densidad de máxima de huecos en la banda de vale ncia.


Probabilidad de ocupación de estados permitidos

Función de probabilidad de ocupación de Fermi-Dirac

Probabilidad de no ocupación

Semiconductores intrínsecos

Concentración de electrones.

Concentración de huecos.

1

1c Fc E EKT

n Ne

−=+

Concentración de huecos.

Aproximación de Boltzmann:

1

1v Fv E EKT

p Ne

−−=

+

( )c FE EKT

cn E e−−

= 2gE

KTvp N e

−=


Concentración intrínseca:

( )in p n T= =

Depende sólo del tipo desemiconductor y de la temperatura:

Semiconductores extrínsecos

Dopados con impurezas pentavalentes.

Son elementos cuyos átomos tienen cinco electrones de valencia en su orbital exterior. Entre ellos se encuentran el fósforo, el antimonio y el arsénico.Cuando un elemento con cinco electrones de valencia entra en la red cristalina del silicio, se completan los cuatro electrones de valencia que se precisan para llegar al equilibrio y queda libre un valencia que se precisan para llegar al equilibrio y queda libre un quinto electrón escapa fácilmente, portador = semiconductor tipo N.


Dopados con impurezas trivalentes. Son elementos cuyos átomos tienen tres electrones de valencia en su orbital exterior. Entre ellos se encuentran el boro, el galio y el indio.

Si se introduce una impureza trivalente en la red cristalina del silicio, se forman tres enlaces covalentes con tres átomos de silicio vecinos, se forman tres enlaces covalentes con tres átomos de silicio vecinos, crean un hueco extra en la red cristalina = semiconductor tipo P.


Los materiales pentavalentes generan ionización positiva, liberando un electrón.

Los materiales trivalentes generan ionización negativa, dejando un hueco libre y capturando un electrón.

Nivel donador: están los electrones liberados, próximo al nivel de conducción.conducción.


Concentración de impurezas donadoras (átomos/cm3).

Concentración de impurezas aceptadoras (átomos/cm3).

Concentración de impurezas donadoras ionizadas.

DN

AN

DN +

1

Concentración de impurezas aceptadoras ionizadas.

La ionización de impurezas empieza a temperaturas bajas.

AN −

1

1D F

D D E EKT

N Ne

+−=

+

1

1A F

A A E EKT

N Ne

−−=

+

Cálculo de concentraciones (documentación Adicional)

Ley de Acción de masas2

in p n⋅ =

E E

Ley de neutralidad de carga

2 2g gE E

KT KTC vn p N e N e

− −⋅ =

Dn p N += +


Zonas de Temperatura:

Temperaturas bajas: ionización de impurezas.

Temperaturas medias: ionización total de impurezas. Concentración de impurezas > Concentración intrínseca.Concentración de impurezas > Concentración intrínseca.

Temperaturas altas: Concentración intrínseca > Concentración de impurezas.


Para semiconductor tipo n

2º Concentración de minoritarios despreciable frente a mayoritarios


Para semiconductor tipo p

Con las aproximaciones anteriores, se obtiene:

Semiconductores compensados (documentación Adicional)

Si se dopa un semiconductor con impurezas donadoras y aceptadoras a la vez.

Ecuación de neutralidad de carga:Ecuación de neutralidad de carga:

“Semiconductor parcialmente compensado”.

1º Si = semiconductor como tipo P


2º Si = semiconductor como tipo N


3º Si = semiconductor compensado.

Tiene un comportamiento parecido a un semiconductor intrínseco.


Tiene un comportamiento parecido a un semiconductor intrínseco.

Conceptos fundamentales

•Ingeniería es la ciencia y el arte de aplicar los conocimientos científicos en beneficio de la humanidad.•Ingeniería Electrónica es la ciencia y el arte de diseñar componentes y circuitos en beneficio de la humanidad.•Componente o dispositivo es un objeto físico que presenta unas relaciones

1.2. Dispositivos Electrónicos.

•Componente o dispositivo es un objeto físico que presenta unas relaciones determinadas de tensión y corriente.•Circuito es un sistema de componentes interconectados.•Elemento de circuito es un modelo matemático sencillo que relaciona la corriente con la tensión. Un componente se modela mediante uno o varios elementos. Puede haber varios modelos diferentes del mismo componente.

•El modelo del circuito se obtiene sustituyendo los componentes por sus modelos.


Generador o fuente independiente de tensión ideal

•Mantiene entre sus terminales una tensión determinada independientemente de la corriente que la atraviesa.

vg(t)

+

v

ii

vg(t)

vg(t)

v

_

v

VG

i

+

_v

t

t

v

VG

i

VG

v


Generador o fuente independiente de corriente ideal

•Mantiene entre sus terminales una corriente determinada independientemente de la tensión entre ellos.

i

ig(t)ig(t)

i

ig(t)

+

v

i

vt

t

i

IG

i

IG

v

_

IG

+

_v

i

Dispositivos Electrónicos Pasivos Ideales

Elementos pasivos son aquellos componentes de los circuitos, quedisipan o almacenan energía eléctrica o magnética y constituyen porello los receptores o cargas de un circuito. Estos elementos sonmodelos matemáticos lineales e ideales de los elementos físicos delcircuito que, individualmente, pueden presentar las siguientespropiedades:

a) disipación de energía eléctrica (R: resistencia);

b) almacenamiento de energía en campos magnéticos (L: coef. deautoinducción);

c) almacenamiento de energía en campos eléctricos (C:capacidad).

Las tres propiedades pueden darse en mayor o menor grado en elcomportamiento de un componente de un circuito real, por ello lascaracterísticas de los componentes prácticos pueden sintetizarse pormedio de una adecuada combinación de R, L y C.

Dispositivos Electrónicos Pasivos IdealesResistencia

Es el elemento del circuito en el que se disipa energía eléctrica. Suvalor se mide en ohmios (Ω) y los sentidos de referencia asociados sonlos de la tensión y la corriente asociada.

)()( tiRtV ⋅=

La relación matemática anterior es únicamente válida para laspolaridades mostradas en la Fig. De este modo se observa que:

• Si i(t)>0 (la corriente entra por el terminal A), entonces v(t)>0, lo quesignifica que la corriente entra por el terminal de mayor potencial A y setraslada al de menor potencial B.

•Si suponemos que i(t)<0 (corriente entra por el terminal B), entoncesv(t)<0 y el terminal B tiene mayor potencial que el terminal A. De nuevo,otra vez, la corriente entra por el terminal cuyo potencial es mayor.

Dispositivos Electrónicos Pasivos IdealesBobina

Es el elemento del circuito capaz de capaz de almacenar energíamagnética. Su valor se mide en herios (Hr) y los sentidos de referenciaasociados son los de la tensión y la corriente asociada.

dt

tdiLtv

)()( ⋅=

La diferencia de potencial en bornes de la bobina es directamente proporcional a laLa diferencia de potencial en bornes de la bobina es directamente proporcional a lavariación de la corriente respecto al tiempo. El factor de proporcionalidad es lainductancia de la bobina L.Se observa que si i(t) es constante, entonces la tensión v(t) es cero. De este modo,una bobina alimentada con corriente continua (estacionaria) actúa como uncortocircuito. Si, en cambio, la corriente i(t) cambia con rapidez, se obtendrá unafuerte tensión entre los terminales. Una bobina no puede cambiar bruscamente lacorriente que circula por ella, porque este hecho daría lugar a una tensión infinitaen bornes, cosa físicamente imposible.

Bobina

Para obtener i(t) se debe derivar la expresión anterior:

∫∫∫ ⋅=−⇒⋅=⋅⇒⋅=t

t

t

t

t

t

dttvL

titidttvL

dtdt

tditv

Ldt

tdi

000

)(1

)()()(1)(

)(1)(

0

∫ ⋅==t

dttvL

iti )(1

)0()(

dt

tdiLtv

)()( ⋅=


La expresión anterior indica que la corriente en la bobina es un tiempo t>0 es iguala la corriente inicial i(0) más la corriente que se desarrolla a partir de t=0.Analizando se observa que la bobina tiene un efecto de memoria, ya que lacorriente en un tiempo t depende no solamente de la entrada i(t) en ese momentosino también del valor pasado de la entrada.

La potencia “absorbida” por la bobina será igual:

∫ ⋅== dttvL

iti0

)()0()(

dt

tditiLtitvtp

)()()()()( ⋅⋅=⋅=

2

00 2

1)(

)()()()( iLdtti

dt

tdiLdttitvtW

tt

⋅=⋅⋅=⋅⋅= ∫∫

Dispositivos Electrónicos Pasivos IdealesCondensador

Es el elemento del circuito capaz de almacenar energía eléctrica . Suvalor se mide en faradios (F) y los sentidos de referencia asociados sonlos de la tensión y la corriente asociada.

La corriente en un condensador es directamente proporcional a la variación de la

( )( )

dv ti t C

dt= ⋅

La corriente en un condensador es directamente proporcional a la variación de latensión respecto del tiempo. Un aumento de la tensión corresponde a una corrientepositiva y una reducción de la tensión corresponde a una corriente negativa. Seobserva que si v(t) es constante, entonces la corriente i(t) es igual a cero. De estemodo, un condensador alimentado con una tensión continua (estacionaria) secomporta como un circuito abierto. En esencia, podemos decir que uncondensador bloquea la corriente DC y permite “pasar” la corriente AC (sob retodo cuanto mayor sea su frecuencia fundamental). De igual f orma, podemosobservar que la tensión entre las placas de un condensador nu nca puedevariar de forma instantánea, ya que ello exigiría una corrie nte infinita que lodestruiría. Cuando veamos corriente AC definiremos la llam ada frecuenciapropia de un condensador.

Dispositivos Electrónicos Pasivos IdealesCondensador

Para obtener v(t) se debe integrar la expresión anterior:( )

( )dv t

i t Cdt

= ⋅

∫∫∫ ⋅=−⇒⋅=⋅⇒⋅=t

t

t

t

t

t

dttiC

tvtvdttiC

dtdt

tdvti

Cdt

tdv

000

)(1

)()()(1)(

)(1)(

0

∫ ⋅==t

dttiC

vtv )(1

)0()(

La expresión anterior indica que la tensión en el condensador en un tiempo t>0 esigual a la tensión inicial v(0) más la tensión desarrollada a partir de t=0. Elcondensador tiene un efecto de memoria ya que los valores pasados de lacorriente afectan los valores actuales de la tensión. Y la energía almacenada entre0 y t segundos será igual a

∫ ⋅== dttiC

vtv0

)()0()(

dt

tdvtvCtitvtp

)()()()()( ⋅⋅=⋅=

2

00 2

1)(

)()()()( vCdttv

dt

tdvCdttitvtW

tt

⋅=⋅⋅=⋅⋅= ∫∫

El transformador es un dispositivo capaz de

transferir energía eléctrica de un circuito para

otro por medio de un campo magnético

que enlazan ambos circuitos.

Transformador

ip

+

vp

-

+

vs

-

is

Np Ns

pp Nv=

• El campo magnético que enlaza las espiras está dado por la ley de Faraday:

hierro

s

p

s

p

N

N

v

v=

a

1

N

N

i

i

v

viviv

s

p

p

s

s

psspp ===⇒=sp pp =

• Utilizado principalmente en circuitos con tensión y corriente alterna, presenta un

comportamiento linear.

• Cuando operamos de forma linear el modelo básico ideal del transformador se determina

por el principio de conservación de energía (toda energía entregado al circuito primario

es traspasada al secundario) de modo que:

+

-

+

vs

-

isip

+

vp

-

avpais

Modelo

Ideal

Transformador - Ejemplos

41


Fuentes dependientes

Existen fuentes en los que los valores de v ó i no son fijos, sino quedependen de la tensión o corriente en otros puntos de la red; este tipode generadores se conocen con el nombre de generadoresdependientes o generadores controlados. Pueden darse cuatro tiposde fuentes controladas, dependiendo de que cada generador suministreuna tensión o una corriente y según sea la variable de control una v ouna i.

C.E. Circuito eléctrico


Asociaciones de Fuentes

a) Fuentes de Tensión ideales.

b)Fuentes de Corriente ideales.

∑= it Vv

c) Otras asociaciones

a b

∑= it ii

Ejemplo

ModelosComponente

Modelo ideal

1.2. Dispositivos Electrónicos Pasivos Reales

Pila de 9 V

Modelo más aproximado


¿Cómo se determina el modelo de un componente?

9,10 VModelo

Como los instrumentos no son exactos en realidad sólo se que la tensión de la pila está entre 9,04 V y 9,16 V


Circuito formado por una pila y una resistencia

Modelo

9,10 VΩ 100 VR

+

_Modelo

VR = 9,10 V (calculado)

VR = 8,75 V (medido)

Si es necesaria más exactitud modelo más aproximado

_


•Supongamos que añadiendo una resistencia podemos obtener un modelo más aproximado de la pila.

modelo pila

VF = 9,10 V

R = 100 Ω

VR = 8,75 VVF

RF

R VR

+

_ VR = 8,75 V

RF = ?

Ω=Ω⋅−=⋅−= 4 100V 8,75

V 75,8V 10,9

R

RFF R

V

VVR

Modelo más aproximado de la pila

9,10 V

4 Ω

_


Conductor ideal

•Mantiene la misma tensión en todos sus puntos (resistencia 0).

+

_v

i i

_

v = 0

v

Componente: conductor real

Se utiliza para interconectar componentes


Interruptor ideal

•Tiene dos estados: abierto (OFF) y cerrado (ON)

•Cuando está abierto no puede circular corriente. Cuando está cerrado equivale a un conductor.

+

i

Abierto

+

v

i

Cerrado

_v

Abierto

OFF _v ON

i

v

v = 0

i

v

i = 0

Modelos de Dispositivos Reales

Fuente de TensiónModelo Ideal del

dispositivo

Modelo más realista

del dispositivo

VG

i

+

_v

t

v

VG

Fuente de CorrienteModelo Ideal del

dispositivo


del dispositivo

_ t

t

i

IGIG

+

_v

i


Resistencia


Condensador

C133uF

Imagen del

dispositivo Real

Modelo Ideal del

dispositivo

C

LR


del dispositivo

Inductor

L110mH

33uF

Imagen del

dispositivo Real

Modelo Ideal del

dispositivo

C

L110mHR


del dispositivo

Fuentes Reales de Energía

Que modelo emplear:

Fuente de Tensión Ideal?

Ejemplos: Baterías electroquímicas, materiales piezoeléctricos, bobinas

girando en presencia de campo magnético, atracción entre materiales no

conductores (electricidad electrostática), materiales fotoeléctricos

Ese modelo puede ser

i

i

– Fuente de Tensión en Serie con una Resistencia?

v

i

+

-

V

Ese modelo puede ser

empleado dentro del

estudio de corriente y

tensión en que la relación

entre la corriente y la

tensión en los terminales

de la fuente de energía

puede ser expresa por:

vv= = RRssii+V+V

+

v

-

Rs

V+

-

+

v

-

i- Rsi +

Región de

validez del modelo

1.3. El diodo Semiconductor, características, tipos y aplicaciones de los diodos

Dispositivo formado por la unión de 2 semiconductores (tipo n y tipo p), permite el paso de la corriente eléctrica en una única dirección.

Ánodo Cátodo

+ V -

iD

Inicialmente sólo hay portadores de tipo a la izquierda de la unión y de del tipo n a la derecha, pero tras unir ambos cristales, se manifiesta

una difusión de electrones del cristal n al p (Je).

+ VD -


Debido al gradiente de concentración los huecos se difunden hacia la derecha atravesando la unión y los electrones en sentido contrario.

La región de la unión no tiene cargas móviles=zona de deplexión.

La acumulación de iones positivos en la zona n y de iones negativos La acumulación de iones positivos en la zona n y de iones negativos en la zona p, crea un campo eléctrico (E) que actuará sobre los electrones libres con una fuerza de desplazamiento .

Este campo eléctrico es equivalente a decir que aparece una diferencia de tensión entre las zonas p y n.

En el silicio 0,7V. En el germanio 0.3 V.


Polarización directa

Se disminuye la barrera de potencial dela zona de carga, permitiendo el paso dela corriente de electrones a través de launión; conduce la electricidad.

Los huecos atravesarán la unión desde laregión tipo p hasta la n= inyección deportadores minoritarios.

Los electrones atravesarán la unión ensentido inverso= corriente minoritariahacia el lado p.

Ánodo Cátodo


Polarización inversa

El polo negativo de la batería se conectaa la zona p y el polo positivo a la zona n,se aumenta aumentar la zona de cargaespacial, y su tensión.

Se tiende a llevar los huecos del tipo p ylos electrones del tipo n a alejarse de launión.los electrones del tipo n a alejarse de launión.

En principio resulta una corriente cero,aunque fluye una pequeña corrientedebida a la energía térmica = corrienteinversa de saturación del diodo, queaumenta con la temperatura.

Funcionamiento Ideal:

En la Zona Directa tiene un comportamiento como un generadorde tensión de continua.

En la Zona Inversa se puede considerar como un circuito abierto.Si se supera la tensión inversa se produce un aumento importantede la corriente inversa pudiendo romper el dispositivo.


0.5 -0.7 V para silicio0.2-0.4 V para germanio

Polarización Directa

Polarización Inversa


Consideraciones para el uso de diodos:

La tensión inversa máxima aplicable al componente, repetitiva ono (VRRR máx o VR máx, respectivamente) ha de ser mayor (delorden de tres veces) que la máxima que este va a soportar.

La corriente máxima en sentido directo que puede atravesar alcomponente, repetitiva o no (IFRM máx e IF máx respectivamente), hede ser mayor (del orden del doble) que la máxima que este va asoportar.

La potencia máxima que puede soportar el diodo (potencianominal) ha de ser mayor (del orden del doble) que la máximaque este va a soportar.


Tensión umbral, de codo o de partida (Vγ ),tensión de la zona de carga espacial del diodo no polarizado.

Corriente máxima (Imax ), corriente máxima que puede conducir.

Corriente inversa de saturación (Is ), corriente que se establece al polarizar inversamente el diodo por la temperatura.

Relación V-I en el Diodo

polarizar inversamente el diodo por la temperatura.

Corriente superficial de fugas , circula por la superficie del diodo.

Relación V-I en el Diodo

I : intensidad de la corriente que atraviesa el diodo

VD: diferencia de tensión entre sus extremos.

−= 1nKT

qVD

eII S

VD: diferencia de tensión entre sus extremos.

IS : corriente de saturación (aproximadamente 10 − 12A)

q :es la carga del electrón.

T: temperatura de la unión

K: cte de Boltzmann

N: coeficiente de emisión, depende del proceso de fabricación; 1 (para el germanio) y del orden de 2 (para el silicio).

Diodo Zener

Permite la conducción de la corriente en las dos direcciones.

Las aplicaciones de los diodos Zener se pueden definir como de referencia o comparación, requiriéndose un voltaje de ruptura constante; en la zona de ruptura.constante; en la zona de ruptura.

Cátodo

+ VD -iD

- Vz + iz

Ánodo

Diodo Zener

CátodoEn la Zona Directa: como un generador de tensión de continua.

En la Zona Inversa: como un circuito abierto hasta Vz nom. . Si se superala tensión inversa de disrupción se produce un comportamiento como ungenerador de tensión de valor Vf=-Vz. Su funcionamiento normal es enesta zona de disrupción

Iz min: Mínima corriente inversaIz min: Mínima corriente inversaque atraviesa el diodo a partirde la cual se garantiza eladecuado funcionamiento,zona de disrupción (Vz min).

1.Iz max: Máxima corrienteinversa que atraviesa el diodoa partir de la cual el dispositivose destruye (Vz max).

Diodo Zener

Consideraciones para el uso de un diodo zener en un circuito:

Para un correcto funcionamiento, por el zener debecircular una corriente inversa mayor o igual a Iz min.circular una corriente inversa mayor o igual a Iz min.

La corriente máxima en sentido inverso ha de ser siempremenor que Iz max.

La potencia nominal Pz que puede disipar el zener ha deser mayor (del orden del doble) que la máxima que este vaa soportar en el circuito.

Diodo LED

Ánodo Cátodo

+ VD -

iD

Funcionamiento similar al diodo rectificador con algunas diferencias: Tensión de codo de mayor valor , entre 1.2-1.5 V. Según el material y la tecnología de fabricación estos diodos pueden emitir

en el infrarojo (diodos IRED), rojo, azul, amarillo y verde, dependiendo deen el infrarojo (diodos IRED), rojo, azul, amarillo y verde, dependiendo decual sea la longitud de onda en torno a la cual emita el LED.

Entre sus aplicaciones podemos destacar: pilotos de señalización,instrumentación, optoaclopadores, etc.

Resulta difícil distinguir, por pura inspección visual, el modelo del LED asícomo el fabricante: los valores máximos de tensión y corriente que puedesoportar y que suministra el fabricante serán por lo general desconocidos.Por esto, cuando se utilice un diodo LED en un circuito, se recomienda quela intensidad que lo atraviese no supere los 20 mA, precaución de caráctergeneral que resulta muy válida.

Otros Diodos

DIODO TUNEL

CURVASIMBOLONOMBRE

FOTODIODO

DIODO SCHOTTKY

Aplicaciones de los diodos

Circuitos de Rectificación Circuitos Modificadores de Forma de Onda Limitadores Fijadores de nivel Fijadores de nivel Protección contra cortocircuitos Demoduladores Mezcladores Circuitos Lógicos Elementales Osciladores, etc

1.4. El transistor Bipolar. Modelos y aplicaciones

El transistor es un dispositivo cuya resistencia interna puede variar en función de la señal de entrada, lo que provoca que sea capaz de regular la corriente que circula por el circuito al que está conectado.Posibles funciones Amplificador, Oscilador, Conmutador, Rectificador.

Introducción al transistor

Rectificador.

Existen tres factores que intervienen en la dimensión y forma del transistor:

Intensidad máx. por base y colector.

Valor del parámetro de ganancia β.

Potencia máx. disipada.

Introducción al transistor1.4. El transistor Bipolar. Modelos y aplicaciones

Potencia máx. disipada.

Los transistores se diferencian según su encapsulado, que pueden ser de:

-Metal

Características del Transistor


-Cerámica

-Plástico

-Papel

EEl transistor consta de un sustrato (silicio) y tres partes:– Emisor que emite portadores,– Colector que los recibe o recolecta– Base: modula el paso entre los portadores anteriores.

TTienen 3 capas de dopados, 2 uniones (J1 J2) y tresterminales cuya agrupación da lugar a 2 tipos de transistoressegún la disposición de las capas.


Para la utilización de un transistor es necesario conocer:

el tipo de encapsulado,

el esquema de identificación de los terminales y

Características del Transistor Bipolar


los valores máximos de tensiones, corrientes y

potencias (dependiente de la temperatura) que no

debemos sobrepasar para no destruir el dispositivo.

Todos estos valores críticos los proporcionan los

fabricantes en las hojas de características de los distintos

dispositivos.


Zonas de funcionamiento del transistor bipolar:

NPN PNP

VCB≈0V

1. ACTIVA DIRECTA: El transistor sólo amplifica en esta zona, y se comporta como unafuente de corriente constante controlada por la intensidad de base (ganancia decorriente).

2. SATURACIÓN: En esta zona el transistor es utilizado para aplicaciones de conmutación(potencia, circuitos digitales, etc.), y lo podemos considerar como un cortocircuito entre elcolector y el emisor. Y la corriente del colector y del emisor alcanzan su intensidadmáxima.

3. CORTE: el transistor es utilizado para aplicaciones de conmutación (potencia, circuitosdigitales, etc.), y podemos considerar las corrientes que lo atraviesan prácticamentenulas (y en especial Ic).

4. ACTIVA INVERSA: los terminales colector y emisor se intercambian, es decir, el emisorhace la función de colector y viceversa. Se invierten las condiciones de polaridad

Características del transistor Bipolar

Unión de emisor Unión ColectorModo de operación

Características

Directa Inversa Activa directaVBE comprendida entre 0.4 y 0.8 V

βF=αF/(1- αF), βF≈hFE IC/IB

Inversa Directa Activa inversa βF muy bajo

Inversa Inversa CorteVBE y VBC tiene tensiones inferiores a 100mV (≈0V), Corrientes Ie y Ic muy

bajas

Directa Directa SaturaciónVCE(sat)= VBE (sat) - VBC (sat)

VCE(sat)=0.1 ó 0.2 VVBE (sat) ≈0.8 , βF (sat) < βF

Corrientes en un transistor bipolar:

Modelo de Ebers-Moll


)1e(I)1e(II

)1e(I)1e(IIBCBE

T

BC

T

BE

VV

VV

VV

CSRV

V

ESE

−−−=

−−−=

α

α

NPNparaVVVPNPparaVVVCBE

BECBCE

EBBCECconIII +=

+=+=

Donde IES y ICS son corrientes de saturación y αF factor dedefecto y αR la fracción de inyección de portadoresminoritarios.

Valores típicos: αF=0.99, αR=0.66, IES=10-15 A y ICS=10-15 A

)1e(I)1e(II T

BC

T

BEV

CSV

ESFC −−−= α

CSRESF II αα =

Recta de Carga Estática

CCQCCCEQ

BQFECQ

BEB

BECCB

RIVV

IhI

V7.0VparaR

VVI

−=

=

=−=

Funcionamiento en la zona lineal:

Punto de trabajo en CCZona lineal

Saturación

CB

CEBE

IIVVCECCECBEBC VIVIVIP <<

<<≈+=

Potencia de disipación estática máxima PCmax

Corte

1.5. El transistor de Efecto de Campo (FET-MOSFET). Modelos y aplicaciones

Los transistores FET son unos dispositivos semiconductores quecontrolan un flujo de corriente por un canal semiconductor,aplicando un campo eléctrico perpendicular a la trayectoria de lacorriente.

Características del Transistor de Unión de Efecto d e Campo (JFET)

Pueden ser de dos tipos:

JFET MOSFET

Características del Transistor JFET

La polarización de un JFET exigeque las uniones p-n esténinversamente polarizadas. En unJFET de canal n la tensión dedrenador debe ser mayor que lade la fuente para que exista unflujo de corriente a través decanal. Además, la puerta debetener una tensión más negativaque la fuente para que la unión p-n se encuentre polarizadoinversamente. Ambaspolarizaciones se indican en la

Zonas de funcionamiento del transistor JFET:

1. Zona Óhmica o Lineal: El transistor se comporta como una resistencia variabledependiente de VGS. Los fabricantes proporcionan rDS(0n) para diferentes valores de VGS.

2. SATURACIÓN: En esta zona el transistor amplifica y se comporta como una fuente decorriente dependiente de VGS.

3. CORTE: el transistor no conduce ID=0A. VGS(off) ó Vp es negativa y se le llama en estascondiciones tensión de estrangulamiento o pinch off.

4. Zona de Ruptura: se produce cuando entre los terminales del transistor se somete a unaalta tensión provocando la ruptura por avalancha a través de la unión de puerta. Losfabricantes indican VGS con la puerta cortocircuitada con la fuente (BVDSS) su valor estácomprendido entre 20 a 50 V.

polarizaciones se indican en lafigura.

Características del transistor JFET

Modo de operación Características

Óhmica o Lineal

Comportamiento resistencia variable controlada por VGS, Rd

GSPDSDSPGSPGS

P

23

GS

23

P

GSDSDS

DDS

p

GS

DSd

VVVVVV,VV

V

V

V

VV

3

2V

I

1)on(r

V

V1

)on(rR

−≤≈−>

−

−−=−

=

Zona de RupturaTensión de ruptura entre drenador y fuente con la puerta cortocircuitada

BVDSS, 20V ≤ BVDSS ≥ 50V

Corte ID=0A, Rd=∞, | VGS|>| VP |

Saturación

Amplificación (fuente de corriente controlada por VGS)ID independiente VDS. IDSS (VGS=0V) Corriente de saturación

PGSDSPGS

2

P

GSDSSD

VVVyVV

V

V1II

−≥>

−=

80

Recta de Carga Estática de JFET

Funcionamiento en la región de saturación:

GSPDSPGSDSPGS

2

P

GSDSSD

VVVoVVVyVV

V

V1II

−>−≥>

−=

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Principales Aplicaciones de JFET

APLICACIÓN PRINCIPAL VENTAJA USOS

Aislador o separador (buffer)

Impedancia de entrada alta y de salida baja

Uso general, equipo de medida, receptores

Amplificador de RF Bajo ruido Sintonizadores de FM, equipo para comunicaciones

Mezclador Baja distorsión de intermodulación Receptores de FM y TV, equipos para comunicaciones

Amplificador con CAG Facilidad para controlar ganancia Receptores, generadores de señales

Amplificador cascodo Baja capacidad de entrada Instrumentos de medición, equipos de prueba

Troceador Ausencia de deriva Amplificadores de CC, sistemas de control de dirección

Resistor variable por voltaje

Se controla por voltajeAmplificadores operacionales, órganos electrónicos,controlas de tono

Amplificador de baja frecuencia

Capacidad pequeña de acoplamiento

Audífonos para sordera, transductores inductivos

Oscilador Mínima variación de frecuencia Generadores de frecuencia patrón, receptores

Circuito MOS digital Pequeño tamaño Integración en gran escala, computadores, memorias

Transistores JFET

A diferencia de los transistores BJT, se lespuede usar como amplificadores o comointerruptores electrónicos. Su ventaja conrespecto a los anteriores, es que puedenrespecto a los anteriores, es que puedentrabajar a altas frecuencias mientras que losBJT solo trabajan en frecuencias bajas ymedias.

Transistor MOSFET

MOSFET: Transistor de efecto campo basado en laestructura MOS (Metal-Óxido-Semiconductor).

Permitieron un diseño extremadamente compacto,necesario para los circuitos altamente integrados (CI).

Es el más utilizado en microelectrónica. Prácticamentela totalidad de los circuitos integrados de uso comercialestán basados en MOSFET.

La forma más habitual de emplearlos es en circuitos detipo CMOS.

Transistor MOSFET

Tienen tres terminales: drenador (Drain), puerta (Gate)y fuente (Source). La corriente que circula entredrenador y surtidor es controlada por la tensiónaplicada a la puerta.

Existen MOSFETs de acumulación o canal inducido y Existen MOSFETs de acumulación o canal inducido yde deplexión o canal difundido. Ambos pueden ser decanal p o de canal n.

Las principales ventajas con respecto a los bipolares: Consumo en modo estático muy bajo. Tamaño inferior. Gran capacidad integración. Funcionamiento por tensión.

Características del Transistor MOSFET o Metal-Oxido-Semiconductor (MOS)

Diferencias con los JFET:Diferencias con los JFET:

el tipo: de acumulación (enhancement) o de enriquecimiento y de deplexion

(deplexion),

La tensión mínima para crear ese capa de inversión se denomina tensión

umbral o tensión de threshold (VT) y es un parámetro característico del

transistor. Si la VGS < VT, la corriente de drenador-fuente es nula; valores típicos

de esta tensión son de de 0.5 V a 3 V.

El esquema de identificación de los terminales

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Característicasdel transistor NMOS

Modo de operación Características

Comportamiento resistencia variable controlada por VGS

( ) VVVV

WkI

2DS

−−=Óhmica o Lineal

Zona de Ruptura Tensión de ruptura entre drenador y fuente con la puerta cortocircuitada

Corte ID=0A VGS < VT

Saturación

Amplificación (fuente de corriente controlada por VGS)ID independiente VDS.

( )

L

WkVVyVVV0

2

VVVV

L

WkI

TGSTGSDS

DSDSTGSD

=>−<<

−−=

β

( )

TGSDSTGS

2TGSD

VVyVVV0

VV2

I

><−<

−= β

CMOS

CMOS: Complementary MOS (Metal-Óxido-Semiconductor).

Es un diseño con 2 MOSFET, uno de canal n y otro dep, que se complementan mutuamente y consumen muypoca corriente en un funcionamiento sin carga. Puedenpoca corriente en un funcionamiento sin carga. Puedenfabricarse en gran escala dentro de los CI (chips).

Por ello, hoy la mayoría de los circuitos integrados(chips) se construyen con tecnología CMOS.

Por tanto, CMOS se emplea para la fabricación demicroprocesadores, memorias, DSPs y otrosdispositivos que requieren de altos niveles integración.

BIBLIOGRAFÍA

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Educación. Prentice-Hall. (2006) Boylestad, R.; Nashelsky, I: Electrónica. Teoría de Circuitos. Prentice-Hall. 1989. Malik, N. R.: Circuitos electrónicos. Prentice-Hall. 1999. García Breijo, E.; Ibáñez Civera, J.; Gil Sánchez, L.: "PSpice Simulación y Análisis de

Circuitos Analógicos asistida por Ordenador" Edit. Paraninfo 1995. Muñoz Merino, E.: SPICE Manual de uso. Publicaciones ETSI Telecomunicación Madrid. Angulo Usategui, J.: Laboratorio de Prácticas de Microelectrónica. Edit McGraw Hill 2002.

Direcciones Web: Analog Devices: http://www.analog.com/ Texas Instruments: http://www.ti.com/ Fairchild Semiconductors: http://www.fairchildsemi.com/ Phillips Seminconductors: http://www.semiconductors.philips.com/ Toshiba Semiconductors: http://www.semicon.toshiba.co.jp/eng/ Motorola Semiconductors: http://www.motorola.com/ Source Electronic Components: http://www.1sourcecomponents.com/?s=ggl Electronix Express: http://www.elexp.com/links.htm Williamson Labs: http://www.williamson-labs.com/

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