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Tema 3. Electrónica de semiconductores
Andrés Iborra García Departamento de Tecnología Electrónica
Sep>embre 2012
Índice
Electrónica Industrial 2
Índi
ce
1. Física de semiconductores. 1.1. Materiales semiconductores.
1.2. La unión PN.
2. Diodos semiconductores. 2.1 Polarización.
2.2 Caracterís>ca de salida.
2.3 Análisis de circuitos mediante la recta de carga.
2.4 Niveles de resistencia.
2.5 Circuitos equivalentes.
2.6 Análisis de circuitos mediante circuitos equivalentes. 2.7 Capacitancia del diodo.
2.8 Tiempo de recuperación inversa.
2.9 Hojas de especificaciones.
2.10 Encapsulado.
2.11 Prueba de diodos.
2.12 Otros >pos de diodos.
Índice
Electrónica Industrial 3
Índi
ce
3. Aplicaciones de los diodos. 3.1 Implementación de puertas lógicas.
3.2 Rec>ficadores.
3.3 Recortadores.
3.4 Cambiadores de nivel.
3.5 Reguladores de tensión.
4. Transistor bipolar de unión. 4.1 La estructura del transistor bipolar. 4.2 Comportamiento del BJT. 4.3 Configuraciones. 4.4 Parámetros característicos.
4.5 Curvas características del BJT. 4.6 Hojas de características. 4.7 Aplicaciones. 4.9 El fototransistor. 4.10 Optoacopladores. 4.11 Encapsulados.
Índice
Electrónica Industrial 4
Índi
ce 5. Transistores de efecto de campo.
5.1 Introducción.
5.2 JFET
5.2.1 JFET de canal n.
5.2.2 JFT de canal p.
5.2.3 Caracterís>ca de transferencia.
5.2.4 Hojas de caracteris>cas.
5.3 MOSFET de deplexión.
5.3.1 MOSFET de deplexión canal n.
5.3.2 MOSFET de deplexión canal p.
5.3.3 Simbología. 5.3.4 Hojas de caracterís>cas.
5.4 MOSFET de acumulación.
5.4.1 MOSFET de acumulción canal n.
5.4.2 MOSFET de acumulción canal p.
5.4.3 Simbología.
5.4.4 Hojas de caracterís>cas.
5.5 Manipulación de los MOSFET.
5.6 Tabla resumen.
5.7. Otros transistores MOSFET.
5
Física de semiconductores
Electrónica Industrial
• Interruptores • Pulsadores • Potenciómetros • LDRs • Fotocélulas • Encoders
• Galgas extensom • Termopares • Acelerómetros • MEMs
SENSORES • Solenoides, relés, piezoeléctricos • Motores de con>nua • Motores paso a paso • Servomotores • Disposi>vos hidráulicos y neumá>cos.
ACTUADORES
• Circuitos discretos • Amplificadores
• Filtros • A/D
ACONDICIONADORES DE SEÑALES DE
ENTRADA E INTERFACES
• Combinacionales • Secuenciales • μP • μC
• Memorias • SoC • Comunicaciones • Sobware
SISTEMAS DE CONTROL DIGITAL
• D/A • Amplificadores • PWM
• Transistores de potencia
ACONDICIONADORES DE SEÑALES DE SALIDA
E INTERFACES • LEDs • Displays • LCD
• CRT • TFT
VISUALIZADORES
Sistemas mecánico Semiconductores discretos Semiconductores integrados
6
Física de semiconductores
Electrónica Industrial
• La conduc>vidad de los materiales depende del número de electrones de valencia (electrones que giran en torno al átomo en la orbita exterior).
• Cuantos más electrones de valencia mayor resistencia a la conducción.
• Los materiales tetravalentes son materiales semiconductores.
• Los materiales más usados en la fabricación de semiconductores son el Si y el Ge.
Materiales semiconductores (I)
4 Electrones de valencia
Si +14
Ge +32
7
Física de semiconductores
Electrónica Industrial
• Los átomos se unen entre sí compar>endo electrones de valencia con los átomos vecinos. • Los electrones compar>dos >enen una influencia estabilizadora en el núcleo de los átomos.
Electrones compar>dos
Electrones de valencia
Materiales semiconductores (II) Semiconductores intrínsecos
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Física de semiconductores
Electrónica Industrial
• El silicio puro es un material inerte que conduce con mucha dificultad.
• La mejora de la conduc>vidad del silicio se consigue añadiendo en el silicio fundido pequeñas can>dades de impurezas en un proceso que es conocido como dopaje.
• Hay dos >pos de materiales semiconductores extrínsecos: n y p. ���
Materiales semiconductores (III) Semiconductores extrínsecos
9
Física de semiconductores
Electrónica Industrial
Si dopamos el silicio (o germanio) con impurezas pentavalentes (Sb, As, P) obtenemos un semiconductor tipo n.
Material ?po n
Electrones compar>dos
Electrones de valencia
Impurezas de
An>monio
5º Electrón de valencia (electrón libre)
Materiales semiconductores (IV)
10
Física de semiconductores
Electrónica Industrial
Material ?po p
Hueco
Impurezas de Boro
Materiales semiconductores (V)
Si dopamos el silicio (o germanio) con impurezas trivalentes (Ga, Al, In, B) obtenemos un semiconductor tipo p.
11
Física de semiconductores
Electrónica Industrial
Flujo de huecos en un material p
Flujo de electrones
Flujo de Huecos
Materiales semiconductores (VI)
El flujo de huecos se debe a electrones de valencia que adquieren la suficiente energía para ocupar un hueco próximo.
12
Física de semiconductores
Electrónica Industrial
Portadores mayoritarios (electrones libres + electrones generados
térmicamente o luminosamente)
Portadores minoritarios (huecos debidos a electrones del material intrínseco que adquieren energía debida a fuentes térmicas o luminosas)
Iones Donadores (átomos pentavalentes que han perdido un electrón)
Iones aceptadores (átomos trivalentes que han aceptado un electrón)
Portadores minoritarios (electrones generados térmicamente o luminos.)
Portadores mayoritarios (huecos por impurezas +
huecos generados térmicamente o lum.)
Material ?po n
Material ?po p
Materiales semiconductores (VII) Portadores mayoritarios y minoritarios
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Física de semiconductores
Electrónica Industrial
• En el momento que los dos materiales (p y n) se unan los electrones y huecos en la región de unión se recombinan, originándose una carencia de portadores en esta región.
El resultado es la formación de una región de deplexión o agotamiento alrededor de la unión. Solo hay iones nega>vos y posi>vos.
• Un extremo de un cristal de silicio o germanio puede ser dopado con impurezas >po p y el otro con impurezas >po n. El resultado es una unión p-‐n o diodo.
La unión p-‐n
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Diodos semiconductores
Electrónica Industrial
• Interruptores • Pulsadores • Potenciómetros • LDRs • Fotocélulas • Encoders
• Galgas extensom • Termopares • Acelerómetros • MEMs
SENSORES • Solenoides, relés, piezoeléctricos • Motores de con>nua • Motores paso a paso • Servomotores • Disposi>vos hidráulicos y neumá>cos.
ACTUADORES
• Circuitos discretos • Amplificadores
• Filtros • A/D
ACONDICIONADORES DE SEÑALES DE
ENTRADA E INTERFACES
• Combinacionales • Secuenciales • μP • μC
• Memorias • SoC • Comunicaciones • Sobware
SISTEMAS DE CONTROL DIGITAL
• D/A • Amplificadores • PWM
• Transistores de potencia
ACONDICIONADORES DE SEÑALES DE SALIDA
E INTERFACES • LEDs • Displays • LCD
• CRT • TFT
VISUALIZADORES
Sistemas mecánico
15
Diodos semiconductores
Electrónica Industrial
Un diodo admite tres modos de funcionamiento: • Sin polarización. • Polarización directa. • Polarización inversa.
• No se aplica ningún voltaje externo: VD = 0V • No circula corriente: ID = 0A • Solamente existe una modesta capa de
deplexión
Sin polarización
Polarización del diodo (I)
16
Diodos semiconductores
Electrónica Industrial
Se aplica un voltaje nega>vo a la unión p-‐n.
Polarización inversa
• Los electrones en el material >po n son atraídos hacia el terminal posi>vo.
• Los huecos en el material >po p son atraídos hacia el terminal nega>vo.
• Todo esto hace que la región de deplexión aumente, se establezca una barrera de potencial que de>ene a los portadores mayoritarios, y el flujo de corriente sólo de debe a portadores minoritarios.
Polarización del diodo (II)
Región de deplexión aumenta
I mayoritarios = 0 Flujo de portadores minoritarios
17
Diodos semiconductores
Electrónica Industrial
Polarización directa
Se aplica un voltaje posi>vo a la unión p-‐n.
• El voltaje directo estrecha la zona de deplexión.
• Los electrones y huecos >enen la suficiente energía como para atravesar la unión.
Polarización del diodo (III) No se puede mostrar la imagen. Puede que su equipo no tenga suficiente memoria para abrir la imagen o que ésta esté dañada. Reinicie el equipo y, a continuación, abra el archivo de nuevo. Si sigue apareciendo la x roja, puede que tenga que borrar la imagen e insertarla de nuevo.
Región de deplexión
Mayorit Imayorit
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Diodos semiconductores
Electrónica Industrial
Ecuación de Shockley
donde IS = Corriente de saturación inversa. k = 11600/η, η =1 para el Ge, η =2 para el Si para niveles de corriente del diodo rela>vamente bajos, η=1 para el Si para niveles de corriente del diodo mayores (zona de crecimiento rápido)
TK=TC+273
Es posible demostrar mediante el empleo de la usica del estado sólido que la caracterís>ca de salida de un diodo semiconductor se pueden obtener mediante la siguiente ecuación (tanto para la región de polarización directa como para la inversa):
Polarización del diodo (IV)
ID = IS (ek.VD /TK −1)
20
Diodos semiconductores
Electrónica Industrial
• La zona Zener se encuentra en la zona de polarización inversa.
• En un punto el voltaje inverso de polarización se hace tan grande que se produce la ruptura del diodo y la corriente se incrementa dramá>camente.
• Este voltaje máximo se conoce como tensión zener o voltaje de avalancha.
• A la corriente se le conoce como corriente de avalancha.
Caracterís>ca de salida(II)
Zona Zener
21
Diodos semiconductores
Electrónica Industrial
Caracterís>ca de salida(III)
Dependencia respecto al material
22
Diodos semiconductores
Electrónica Industrial
• Al incrementar la temperatura incrementa la energía interna del diodo.
• Se reduce el voltaje directo que es necesario aplicar para que entre en conducción.
• Se incrementa la can>dad de corriente inversa que circula al estar polarizado inversamente.
• Se incrementa el voltaje de avalancha.
• Los diodos de Germanio son más sens ib les a var iac iones de temperatura que los diodos de Silicio.
Dependencia respecto a la temperatura
Caracterís>ca de salida(IV)
23
Aplicaciones de los diodos
Electrónica Industrial
Para la configuración de la figura, determinar VD e ID.
Ejemplo
Análisis de circuitos mediante la recta de carga (I)
24
Aplicaciones de los diodos
Electrónica Industrial
Ejemplo
Análisis de circuitos mediante la recta de carga (II)
25
Aplicaciones de los diodos
Electrónica Industrial
Aproximamos el diodo a una batería
Ejemplo
Análisis de circuitos mediante la recta de carga (III)
26
Aplicaciones de los diodos
Electrónica Industrial
Aproximamos el diodo a un interruptor
Ejemplo
Análisis de circuitos mediante la recta de carga (IV)
27
Diodos semiconductores
Electrónica Industrial
Para un punto de funcionamiento en el que se aplica una tensión con>nua VD, por el diodo circula una corriente ID, siendo su resistencia directa o resistencia está>ca RD.
D
DD I
VR =
Niveles de resistencia (I)
• Los semiconductores actúan diferentemente frente a corrientes con>nuas y alternas. Se pueden dis>nguir tres >pos de resistencias:
– Resistencia DC o está>ca – Resistencia AC o dinámica – Resistencia AC media
Resistencia está?ca
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Diodos semiconductores
Electrónica Industrial
Punto Q
La tangente coincide con la
curva
Curva del diodo
Punto Q (quiescencia)
rd ' =ΔVdΔId
Niveles de resistencia (II) Resistencia dinámica
29
Diodos semiconductores
Electrónica Industrial
Circuitos equivalentes (I)
1ª Aproximación
Diodo Ideal
30
Diodos semiconductores
Electrónica Industrial
Circuitos equivalentes (II)
Diodo Ideal
2ª Aproximación
31
Diodos semiconductores
Electrónica Industrial
Circuitos equivalentes (III)
3ª Aproximación
rav =ΔV1−2ΔI1−2
32
Aplicaciones de los diodos
Electrónica Industrial
Ejemplo 1. Para la configuración de la figura, determinar VD, VR e ID.
Análisis en con>nua (I)
33
Aplicaciones de los diodos
Electrónica Industrial
Ejemplo 2. Para la configuración de la figura, determinar VD e ID.
Análisis en con>nua (II)
34
Aplicaciones de los diodos
Electrónica Industrial
Ejemplo 3. Para la configuración de la figura, determinar ID, VD2 y Vo.
Análisis en con>nua (III)
35
Aplicaciones de los diodos
Electrónica Industrial
Ejemplo 4. Para la configuración de la figura, determinar I, V1, V2 y V0
Análisis en con>nua (IV)
36
Aplicaciones de los diodos
Electrónica Industrial
Ejemplo 5. Para la configuración de la figura, determinar Vo, I1 , ID1 e ID2
Análisis en con>nua (V) Diodos en paralelo
37
Aplicaciones de los diodos
Electrónica Industrial
Ejemplo 6. Para la configuración de la figura, determinar I1 , I2 e ID2
Configuración paralelo-‐serie
Análisis en con>nua (VI)
38
Diodos semiconductores
Electrónica Industrial
• En polarización inversa, la capa de deplexión es más grande. Se presenta la capacitancia de transición, CT.
• Para la región de polarización directa tendremos la capacitancia de difusión o
almacenamiento, CD.
Capacitancia del diodo
Pol. Directa
Pol. Inversa
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Diodos semiconductores
Electrónica Industrial
El >empo de recuperación inversa es el >empo que necesita el diodo para dejar de conducir una vez que conmuta del estado de conducción (ON) al de corte (OFF).
Tiempo de recuperación inversa (trr)
Instante en el que el diodo pasa de ON a
OFF
Respuesta ideal del diodo
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Diodos semiconductores
Electrónica Industrial
• VF, Voltaje directo para una corriente y temperatura especificada • IF, máxima corriente directa para una temperatura específica • IR, máxima corriente inversa para una temperatura específica • PIV o PRV o V(BR), máximo voltaje inverso para una tª específica • P, máxima potencia disipada para una temperatura específica • C, capacitancia en polarización inversa • trr, >empo de recuperación inversa • Temperaturas, rangos de temperatura de operación y almacenamiento
Los principales parámetros que caracterizan un diodo son:
Hoja de especificaciones (I)
43
Diodos semiconductores
Electrónica Industrial
El ánodo se abrevia con una A El cátodo se abrevia con una K
Encapsulado (I)
44
Diodos semiconductores
Electrónica Industrial
Ensayos con diodos (I) Comprobador de diodos
Terminal ROJO
Terminal NEGRO
45
Diodos semiconductores
Electrónica Industrial
Un ohmmetro en la escala baja de resistencias puede ser u>lizado como comprobador de diodos. El diodo debe ser comprobado fuera del circuito.
Ensayos con diodos (II) Ohmmetro
Terminal ROJO
Terminal ROJO
Terminal NEGRO
Terminal NEGRO
Valor Resis>vo Bajo
Valor Resis>vo Alto
46
Diodos semiconductores
Electrónica Industrial
Un Zener es un diodo que trabaja normalmente en polarización inversa y dentro de la zona de avalancha cuando se supera la tensión Zener (VZ). Las tensiones Zener se encuentran entre los 1.8 V a 200 V
Otros >pos de diodos (I) Diodos Zener
48
Diodos semiconductores
Electrónica Industrial
Diodos Zener
Otros >pos de diodos (III)
Ánodo
Cátodo
49
Diodos semiconductores
Electrónica Industrial
Un diodo LED emite fotones cuando se polariza directamente. Estos pueden ser de infrarojos o del espectro visible. La tensión directa está usualmente en el rango de 2 V a 3 V.
Diodos LED
Otros >pos de diodos (IV)
50
Diodos semiconductores
Electrónica Industrial
Un conjunto de d iodos puede encapsularse en un Circuito Integrado (IC).
Arrays de diodos
Otros >pos de diodos (V)
51
Aplicaciones de los diodos
Electrónica Industrial
• Interruptores • Pulsadores • Potenciómetros • LDRs • Fotocélulas • Encoders
• Galgas extensom • Termopares • Acelerómetros • MEMs
SENSORES • Solenoides, relés, piezoeléctricos • Motores de con>nua • Motores paso a paso • Servomotores • Disposi>vos hidráulicos y neumá>cos.
ACTUADORES
• C. discretos • Amplificadores
• Filtros • A/D
ACONDICIONADORES DE SEÑALES DE
ENTRADA E INTERFACES
• Combinacionales • Secuenciales • μP • μC
• Memorias • SoC • Comunicaciones • Sobware
SISTEMAS DE CONTROL DIGITAL
• D/A • Amplificadores • PWM
• Transistores
ACONDICIONADORES DE SEÑALES DE SALIDA
E INTERFACES • LEDs • Displays • LCD
• CRT • TFT
VISUALIZADORES
Sistemas mecánico
52
Aplicaciones de los diodos
Electrónica Industrial
A B S 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1
Puertas lógicas (I) Puerta OR
A B
S
53
Aplicaciones de los diodos
Electrónica Industrial
Puertas lógicas (II) Puerta AND
A B S 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1
A B
S
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Aplicaciones de los diodos
Electrónica Industrial
Vdc =1T
vs0
T2∫ t( )dt = 1
2πVm0
π
∫ senωtdωt = Vmπ= 0,318Vm
Tensión media en la carga
Rec>ficadores(I) Rec?ficador de media onda (I)
55
Aplicaciones de los diodos
Electrónica Industrial
( )∫=T
crms dttvT
V0
21 ( )22
1
0
2 mmrms
VtdtsennVV == ∫π
ωωπ
Tensión eficaz en la carga
Factor de forma y factor de rizado
FR =Vripple rmsVdc
= FF 2 −1FF = VrmsVdc
Para una señal con>nua FR=0
Para una señal con>nua FR=1
FR = π2!
"#
$
%&2
−1 =1,21FF =Vm2
Vmπ
=π2=1,57
Rec?ficador de media onda (II)
Rec>ficadores(II)
56
Aplicaciones de los diodos
Electrónica Industrial
Obtención del factor de rizado a par>r del factor de forma
)()( tvVtv rippledc +=
Vripple rms2 =
1T
vripple2 (t).dt
0
T
∫ =1T
v(t)−Vdc( )2 dt0
T
∫ =Vrms2 −Vdc
2FR =
Vripple rmsVdc
vripple(t) = v(t)−Vdc
FR =Vripple rmsVdc
=Vrms2 −Vdc
2
Vdc=
Vrms2
Vdc2 −1 = FF 2 −1
Rec?ficador de media onda (III)
Rec>ficadores(III)
57
Aplicaciones de los diodos
Electrónica Industrial
Rec?ficador onda completa (I). Con puente de diodos
Vdc =2.Vmπ
Vrms =Vm2
FF = VrmsVdc
=
Vm2
2.Vmπ
=π2 2
=1,11 FR = FF 2 −1 = 0, 48
PIV ≥ Vm
Rec>ficadores(IV)
58
Aplicaciones de los diodos
Electrónica Industrial
Rec?ficador onda completa (II). Con transformador con toma intermedia
Vdc =2.Vmπ
Vrms =Vm2
FF = VrmsVdc
=
Vm2
2.Vmπ
=π2 2
=1,11 FR = FF 2 −1 = 0, 48
PIV ≥ 2Vm
Rec>ficadores(V)
59
Aplicaciones de los diodos
Electrónica Industrial
Rec?ficador onda completa (III). Con transformador con toma intermedia
Rec>ficadores(VI)
60
Aplicaciones de los diodos
Electrónica Industrial
Los circuitos recortadores o clippings >enen la habilidad de recortar una porción de la señal de entrada sin distorsionar la parte restante de la forma de onda.
Circuitos recortadores (I)
61
Aplicaciones de los diodos
Electrónica Industrial
Diodo recortador en serie polarizado (Biased Clippers)
Añadiendo una fuente de tensión DC en serie con el recortador se puede cambiar el nivel de corte.
Circuitos recortadores (II)
62
Aplicaciones de los diodos
Electrónica Industrial
Circuitos recortadores (III) Resumen de circuitos recortadores en serie
63
Aplicaciones de los diodos
Electrónica Industrial
Circuitos recortadores (IV) Diodo recortador en paralelo
64
Aplicaciones de los diodos
Electrónica Industrial
Resumen de circuitos recortadores en paralelo
Circuitos recortadores (V)
65
Aplicaciones de los diodos
Electrónica Industrial
• Son circuitos que cambian una señal a un nivel diferente de con>nua.
• La red debe tener un diodo, un condensador y un resistor, e incluso una fuente de tensión independiente que introduce un desplazamiento adicional.
• La señal de entrada puede ser de cualquier >po de forma de onda (senoidal, cuadrada o triangular).
• La fuente de tensión permite ajustar el nivel de tensión de salida.
Cambiadores de nivel (I)
66
Aplicaciones de los diodos
Electrónica Industrial
Resumen de circuitos cambiadores de nivel o clampers
Cambiadores de nivel (II)
67
Aplicaciones de los diodos
Electrónica Industrial
• Cuando Vi ≥ Vz – El Zener está en on – El voltaje en bornas del Zener is Vz – La corriente Zener: IZ = IR – IRL – La potencia Zener: PZ = VZIZ
• Cuando Vi < Vz
– El Zener está en off – El Zener trabaja como un circuito abierto
El Zener es un diodo que trabaja polarizado inversamente a la tensión Zener (Vz).
Regulador de tensión Zener (I)
68
Aplicaciones de los diodos
Electrónica Industrial
Valores de las Resistencias en los circuitos Zener
ZMRLmin I- I I =
RLmax = VZ
ILmin
ZKRLmax II I −=
Lmax
ZLmin I
VR =
Sí R es demasiado grande, el diodo Zener no puede conducir porque la can>dad disponible de corriente es menor que la corriente Zener mínima , IZK. Si R es demasiado pequeño, la corriente Zener puede exceder el máximo valor, IZM.
Una vez conduce el Zener (IR fija), la mínima corriente en la carga viene dada por:
El valor máximo de la resistencia de carga es:
El máximo valor de corriente para el circuito viene dado por:
El valor mínimo de resistencia es por tanto:
Regulador de tensión Zener (II)