LECCION 1 MATERIALES SEMICONDUCTORES

Transcripción

1 LECCION 1 MATERIALES SEMICONDUCTORES Son materiales que tienen una resistencia eléctrica intermedia entre los conductores y los aislantes. Por efectos de temperatura en estos materiales hay electrones que se desligan de sus átomos quedando un electrón y un hueco (átomo sin electrón) que se constituyen en portadores de carga, el movimiento de estos portadores cuando se aplican voltajes constituye una corriente eléctrica. Es un material conductor intrínseco. A mayor temperatura existen más portadores de carga, las corrientes son mayores, por tanto la resistencia es menor, se usan como elementos para medir temperaturas (termistores). Los semiconductores más usados son el Silicio y el Germanio. Cuando al semiconductor intrínseco se adicionan átomos de otros elementos (impurezas) por cada átomo adicionado se forma un portador de carga. Al usar materiales del grupo III de la tabla química se forman huecos quedando un semiconductor con más huecos (portadores mayoritarios) y se obtiene un semiconductor extrínseco tipo P. Al usar impurezas del grupo V quedan electrones libres y el material va a tener portadores mayoritarios electrones y portadores minoritarios huecos formando un material semiconductor extrínseco tipo N. El dopado es una medida de la cantidad de impurezas por unidad de volumen y determina fuertemente la conductividad del material. El proceso de dopado se hace en hornos de vacío a alta temperatura, los semiconductores usados en electrónica son monocristalinos, es decir, en su estructura no aparecen límites de grano. EL DIODO LECCION 2 UNION PN Un diodo es la unión de dos zonas de material semiconductor, una de tipo N y la otra de tipo P, entre las dos se forma una zona llamada de agotamiento (Z.A.) donde es mínima o nula la presencia de portadores de carga. Tanto en la zona P como en la zona N existen portadores de carga minoritarios del signo contrario. A la zona P se le llama ánodo (A) y a la zona N se le llama cátodo (K).

2 Diodo en directo: Caida de voltaje = 0.7 V Diodo en directo: Se comporta como un interruptor cerrado. Diodo en inverso: Se comporta como un interruptor abierto.

3 POLARIZACIÓN DE UN DIODO Un diodo trabaja unido a un circuito eléctrico el cual le aplica un voltaje. Se presentan dos posibilidades: POLARIZACIÓN DIRECTA El voltaje positivo aplicado al ánodo empuja los huecos hacia la zona de agotamiento, lo mismo hace el voltaje negativo sobre los electrones del cátodo. Cuando el voltaje es pequeño y va aumentando la zona de agotamiento se va estrechando al llegar a un valor llamado voltaje de umbral la zona de agotamiento desaparece y los huecos y electrones se recombinan y el circuito externo empieza a aportar huecos a la zona P y electrones a la zona N apareciendo una corriente eléctrica a través del diodo, se dice que el diodo está en conducción. El voltaje umbral es 0.2 voltios para germanio y 0.6 voltios para silicio. La corriente del diodo en conducción crece

4 fuertemente con un crecimiento pequeño del voltaje (décimas de voltio). Se considera entonces para un diodo de silicio siempre que esté en conducción su voltaje es de 0.7 voltios. Si los voltajes en el circuito son mucho mayores a 0.7v, el voltaje del diodo se considera 0 y se asimila a un interruptor cerrado. POLARIZACIÓN INVERSA El voltaje negativo aplicado al ánodo atrae los huecos y el voltaje positivo aplicado al cátodo atrae los electrones por lo que la zona de agotamiento se ensancha, sobre los portadores minoritarios ocurre el fenómeno contrario, éstos hacen recombinación y forman una corriente muy pequeña (na a µa) que en el caso práctico se considera nula. Se dice entonces que el diodo se comporta como un interruptor abierto. El voltaje en el diodo será el que el circuito aplique y puede llegar a cualquier valor, en la práctica cientos de voltios para diodos rectificadores. Cuando el voltaje inverso aplicado llega a cierto valor la atracción entre huecos y electrones crece tanto que rompen la resistencia de la estructura del semiconductor y viajan a gran velocidad

5 recombinándose y formando una corriente que crece rápidamente, se llama fenómeno de avalancha y a ese voltaje se llama Zener o de avalancha. En diodos rectificadores este voltaje es de cientos de voltios y si el diodo llega a ese voltaje normalmente se daña por una elevación muy rápida de temperatura. cero. Los diodos Zener tienen un voltaje de avalancha menor a 100v y se pueden trabajar haciéndolos conducir en esa condición hasta cierto valor límite de corriente. Un diodo se puede asimilar a una válvula de flujo unidireccional (flapper o cheque), con una diferencia de presión positiva se abre y deja pasar flujo, con una diferencia de presión negativa se cierra y el flujo es La gráfica muestra la variación de la corriente en función del voltaje aplicado al diodo indicando el comportamiento tanto en polarización directa como en inversa.

6 PRUEBA DE UN DIODO Con un multímetro análogo un diodo se prueba en la escala de resistencia, colocando la punta roja (+) al ánodo y la punta negra (-) al cátodo debe marcar un valor pequeño de resistencia (<200 ) y al conectar al contrario debe marcar un valor grande (>1M ) en la escala más alta (R*1k). Con un multímetro digital en directo debe marcar el voltaje de umbral (0.5 a 0.7v para silicio) y en inverso debe marcar circuito abierto indicado en la mayoría de multímetros con una "1" a la izquierda del display. POTENCIA DE UN DIODO Cuando un diodo conduce igual que una resistencia disipa potencia que se convierte en calor y eleva la temperatura del diodo, si la temperatura sube por encima de unos 300ºC la estructura del semiconductor se agrieta y el diodo se daña ("quema"). La disipación de potencia: PD = VD*ID se debe mantener por debajo de un límite que depende del tamaño del diodo y su estado de disipación de calor. En directo entonces se tiene un valor máximo de corriente: Para diodos rectificadores en inverso el límite está dado por el voltaje avalancha que se llama entonces voltaje pico reverso VRP, por ser normalmente mayor a 100v la corriente de avalancha para llegar al límite de potencia es tan pequeña que se puede decir que instantáneamente sube la temperatura y el diodo se quema. Para diodos Zener en zona de avalancha se tendrá un máximo de corriente: ELECCIÓN DE UN DIODO

7 Los diodos vienen identificados por referencias que cambian de un fabricante a otro, pero una referencia de un fabricante es equivalente a una referencia en cada uno de los otros fabricantes. Los fabricantes editan manuales con diferentes niveles de información sobre cada una de las referencias producidas y se tienen se tienen las guías maestras de reemplazo que sirven para conocer las referencias equivalentes. En Colombia el mercado se guía principalmente por Master Replacement Guide de ECG Semiconductors. Para seleccionar un diodo se deben conocer mínimo los siguientes datos: Corriente que va a conducir (pico o promedio), voltaje inverso a que va a estar sometido, frecuencia de las señales; con estos valores usando las tablas del manual ECG se podrá escoger una referencia adecuada que soporte las condiciones de trabajo. En altas frecuencias se deben escoger diodos Fast SW y en casos donde se requiere que un diodo pase muy rápido de corte a conducción se deben usar diodos Fast Recovery. APLICACIONES DE LOS DIODOS LECCION 3 DIODOS RECTIFICADORES Los diodos rectificadores se usan principalmente en: circuitos rectificadores, circuitos fijadores, circuitos recortadores, diodos volantes. Los diodos Zener se usan en circuitos recortadores, reguladores de voltaje, referencias de voltaje. CIRCUITOS RECTIFICADORES Son circuitos que convierten señales alternas en señales de una sola polaridad (positiva o negativa) Según su configuración son de media onda o de onda completa y según la fuente AC usada son monofásicos o polifásicos. Para mirar los voltajes y corrientes en el diodo examinamos dos circuitos básicos a continuación. Como se aplica la polaridad positiva de la fuente al ánodo y negativa a través de la resistencia al

8 cátodo, el diodo es polarizado en directo, entonces: VD = 0.7v V R = V F - V D = V F V F I V F /R Si V F = 100v ; R = 200 V R 100v V D = 0.7 I D = I = 0.5A Como la fuente aplica polaridad negativa al ánodo y positiva a través de la resistencia hacia el cátodo el diodo es polarizado en inverso, entonces: I = I D = 0 si I = 0 V R = R I = 0 V D = V F - V R = V F - 0 = V F (en inverso) Al aplicar una fuente AC el diodo conduce en el ciclo positivo (1er circuito) y se abre en el semiciclo negativo (2do circuito). En la carga (R) aparece voltaje de una sola polaridad positiva, es una señal llamada rectificada media onda. El voltaje pico en el diodo corresponde al valor pico negativo de la fuente: V DP = V FP La corriente pico en el diodo se produce cuando la fuente llega a su pico positivo y es: Por la forma de onda la corriente promedio es: Ejemplo: Sea V Fef = 220 V RMS y R = 500 V DP = 2* V Fef = 2*220v = 310V P

9 I M = 0.18A Del manual ECG se puede tomar el diodo ECG 116 que soporta V PR = 600v y I Mmax = 1A. Para obtener una onda rectificada negativa se coloca el diodo en sentido contrario. LECCION 4 CIRCUITOS RECTIFICADORES MONOFASICOS RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA

10 Para este caso V DP = V FD y en la resistencia: V RP = V FP : Para una fuente de 60Hz en la resistencia la señal de voltaje tiene una frecuencia de 120Hz. Estos circuitos se aplican en alimentación de motores DC, pero no dan señales adecuadas para alimentación de circuitos electrónicos, se añade un condensador como filtro. La señal obtenida es la siguiente: Rectificador media onda Rectificador onda completa

11 El circuito como filtro se llama fuente DC o adaptador AC-DC. CIRCUITOS CON VARIOS DIODOS En electrónica se usan circuitos con varios diodos para realizar operaciones lógicas y para conmutar el flujo de corriente entre varios circuitos. El análisis se basa en determinar cual diodo o diodos conducen en cada instante de tiempo y de ahí determinar las corrientes y voltajes del circuito. Se van a analizar dos casos elementales:

12 En este circuito conduce el diodo que recibe el voltaje más positivo; si V F2 > V F1 conduce D2. VR mayor entre V F1 y V F2. Ejemplo: Si V F1 = 8v y V F2 = 5v, R = 100 Conduce el diodo D1 y V R = 7.3v 8v Para el diodo D2: V D2 = V B - V C = 5v - 7.3v = -2.3v indica que el diodo D2 está en inverso y no conduce. El análisis se puede aplicar para más de 2 diodos con el resultado conduce el que reciba mayor voltaje y todos los demás quedan en inverso.

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