LA UNIÓN P-N. La unión p-n en circuito abierto. Diapositiva 1 FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES
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- Agustín Piñeiro Rivas
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1 Diapositiva 1 LA UNÓN PN La unión pn en circuito abierto FUNDAMENTOS DE DSPOSTOS ELECTRONCOS SEMCONDUCTORES A K Zona de deplexión Unión p n Contacto óhmico ones de impurezas dadoras ones de impurezas aceptoras Electrón Hueco
2 Diapositiva 2 LA UNÓN PN La unión pn en polarización inversa Movimiento de portadores Corriente FUNDAMENTOS DE DSPOSTOS ELECTRONCOS SEMCONDUCTORES K A _ Mayoritarios Minoritarios
3 Diapositiva 3 LA UNÓN PN La unión pn en polarización directa Movimiento de portadores Corriente FUNDAMENTOS DE DSPOSTOS ELECTRONCOS SEMCONDUCTORES Mayoritarios Minoritarios K _ A
4 Diapositiva 4 FUNDAMENTOS DE DSPOSTOS ELECTRONCOS SEMCONDUCTORES LA UNÓN PN Potencial de contacto y ancho de la región de transición de una unión pn. A Densidad de carga p E n X K 2 d 2 dx ρ = ε Campo eléctrico _ X d E = dx = ρ dx ε Barrera de potencial = Edx Potencial o X
5 Diapositiva 5 FUNDAMENTOS DE DSPOSTOS ELECTRONCOS SEMCONDUCTORES LA UNÓN PN Barrera de potencial y ancho de la región de transición de una unión pn, con polarización inversa _ p n _ 0 _ A K Densidad de carga _ E X Campo eléctrico _ X Potencial o B X B = o
6 Diapositiva 6 FUNDAMENTOS DE DSPOSTOS ELECTRONCOS SEMCONDUCTORES LA UNÓN PN Barrera de potencial y ancho de la región de transición de una unión pn, con polarización directa p _ n _ A _ K Densidad de carga _ E X Campo eléctrico X Potencial o X B = o B
7 Diapositiva 7 FUNDAMENTOS DE DSPOSTOS ELECTRONCOS SEMCONDUCTORES LA UNÓN PN Componentes de corriente en polarización directa p _ n A K p p n n Concentración de portadores n po 0 p no X Corriente 0 X
8 Diapositiva 8 FUNDAMENTOS DE DSPOSTOS ELECTRONCOS SEMCONDUCTORES LA UNÓN PN Ecuación de la unión: Hipótesis restrictivas Ancho de la zona de transición despreciable En la zona de transición no hay generación de pares electrónhueco Se desprecian las corrientes de fuga en la superficie del semiconductor ni corrientes transversales
9 Diapositiva 9 FUNDAMENTOS DE DSPOSTOS ELECTRONCOS SEMCONDUCTORES LA UNÓN PN Ecuación de la unión: Deducción HUECOS ELECTRONES pn dpn ( x) ( x) = SqD p dx p n (0) P n (0) p n (x) P n (x) 0 X dx p no p ( x) = P ( x) p n n P ( x) = P (0) e p po pn n n no x Lp o T n( 0 e Ley de la Unión = p ) SqD p pno T ( 0) = ( e 1) L p SqDnn po T np( 0) = ( e 1) L n D p pno Dnnpo T = qs ( e 1) Lp Ln
10 Diapositiva 10 FUNDAMENTOS DE DSPOSTOS ELECTRONCOS SEMCONDUCTORES LA UNÓN PN Corriente inversa de saturación Discrepancias del valor teórico y práctico Dependencia Dp p = qs Lp Dnn L no po o = n f (T )
11 Diapositiva 11 FUNDAMENTOS DE DSPOSTOS ELECTRONCOS SEMCONDUCTORES DODO SEMCONDUCTOR Ecuación de la característica tensiónintensidad T = o η ( e 1) Representación gráfica Tensión umbral ( g ) OFF<> Corte ON <> Conducción A K o A o e ηt K OFF 0 g ON Polarización inversa Polarización directa
12 Diapositiva 12 FUNDAMENTOS DE DSPOSTOS ELECTRONCOS SEMCONDUCTORES DODO SEMCONDUCTOR Germanio vs Silicio Ge Si 0 0,2 0,6
13 Diapositiva 13 FUNDAMENTOS DE DSPOSTOS ELECTRONCOS SEMCONDUCTORES DODO SEMCONDUCTOR Ejercicio 1. Cálculo y representación de la característica de un diodo. DATOS NCOGNTAS Semiconductor Silicio Tensión () ntensidad(ma) η 2,00 0,65 0,2868 ntensidad inv.de satur.(na) 1,00 0,68 0,5123 Temperatura (ºK) 300 0,71 0,9150 0,74 1,6342 0,77 2,9188 0,80 5,2130 0,83 9,3106 0,86 16,6291 0,89 29,7003 0,92 53,0458
14 Diapositiva 14 FUNDAMENTOS DE DSPOSTOS ELECTRONCOS SEMCONDUCTORES DODO SEMCONDUCTOR Ejercicio 2. Cálculo de la intensidad y tensión entre bornas de un diodo. Método general de cálculo: Resolución del sistema formado por la recta de carga del circuito y la ecuación del diodo. R D A K o o η T = o( e 1) = R D o Método iterativo DATOS NCOGNTAS Semiconductor Germanio Tensión entre bornas () ntensidad(ma) Tensión de la Fuente () 6,00 0,0000 3,0000 Resistencia η (Kiloohmios) 2,00 0,3262 2,8369 1,00 0,3247 2,8376 ntensidad inv.de satur.(na) 10,00 0,3247 2,8376 Temperatura (ºK) 300 0,3247 2,8376
15 Diapositiva 15 FUNDAMENTOS DE DSPOSTOS ELECTRONCOS SEMCONDUCTORES DODO SEMCONDUCTOR Respuesta de un diodo a la temperatura Reglas prácticas t1 10 o( t1) o( to) 2 o 0,07 º C T o t o 1 T 1 > T o T 2,5m /º C 0
16 Diapositiva 16 FUNDAMENTOS DE DSPOSTOS ELECTRONCOS SEMCONDUCTORES DODO SEMCONDUCTOR Ejercicio 3. Según la ecuación anterior la corriente inversa de saturación del germanio debería aumentar un 11%/ºC, pero experimentalmente obtenemos en el laboratorio que la variación práctica con la temperatura es alrededor del 7%/ºC, cuando aplicamos una tensión inversa de 6 siendo la corriente de 1µA. Esta situación se interpreta como si el diodo teórico estuviera en paralelo con una resistencia que representa las corrientes de fugas del dispositivo. Calcular esta resistencia.
17 Diapositiva 17 FUNDAMENTOS DE DSPOSTOS ELECTRONCOS SEMCONDUCTORES DODO SEMCONDUCTOR Ejercicio 4. La resistencia térmica del contacto mecánico del chasis de un diodo con su medio es de 0,1 mw/ºc, es decir, disipa 0,1 mw por cada grado de aumento de la temperatura. No se permite que la temperatura del diodo aumente por encima de la ambiente (25ºC) más de 20ºC. Si la corriente inversa de saturación es de 1µA a 25ºC y teniendo en cuenta que ésta se duplica por cada 10ºC de aumento, calcular la tensión inversa máxima que se puede aplicar al diodo.
18 Diapositiva 18 FUNDAMENTOS DE DSPOSTOS ELECTRONCOS SEMCONDUCTORES DODO SEMCONDUCTOR Resistencia estática 3 R R = R R 2 1 R F = F F 1 2 3
19 Diapositiva 19 FUNDAMENTOS DE DSPOSTOS ELECTRONCOS SEMCONDUCTORES DODO SEMCONDUCTOR Resistencia dinámica o incremental d r = d 1 = tagα r = d d = 1 tag0 α
20 Diapositiva 20 FUNDAMENTOS DE DSPOSTOS ELECTRONCOS SEMCONDUCTORES DODO SEMCONDUCTOR Ejercicio 5. Un diodo ideal de germanio tiene a temperatura ambiente una resistencia estática de 5 Ω, siendo la intensidad en ese punto de 50 ma. Calcular la resistencia dinámica del diodo cuando se polariza directamente con una tensión de 0,3.
21 Diapositiva 21 FUNDAMENTOS DE DSPOSTOS ELECTRONCOS SEMCONDUCTORES DODO SEMCONDUCTOR Capacidad de transición A K A K C T = dq d = ε S w
22 Diapositiva 22 FUNDAMENTOS DE DSPOSTOS ELECTRONCOS SEMCONDUCTORES DODO SEMCONDUCTOR Ejercicio 6. Se usan con frecuencia diodos polarizados inversamente como condensadores variables gobernados por tensión. La capacidad de transición de un diodo de unión abrupta es de 12 pf a 6. Hallar la disminución de capacidad cuando la polarización aumenta 1.
23 Diapositiva 23 DODO SEMCONDUCTOR Capacidad de difusión FUNDAMENTOS DE DSPOSTOS ELECTRONCOS SEMCONDUCTORES r D L D L d dq C n n p p D = = A K A K
24 Diapositiva 24 FUNDAMENTOS DE DSPOSTOS ELECTRONCOS SEMCONDUCTORES DODO SEMCONDUCTOR Ejercicio 7. En un diodo de silicio en que el lado p está mucho más dopado que el lado n, la longitud de difusión es de 3x10 6 m., la movilidad de los huecos 500 cm 2 /s y la capacidad de difusión 2 nf. Calcular la intensidad de corriente que pasa por él a temperatura ambiente. Se desprecia la corriente inversa de saturación.
25 Diapositiva 25 FUNDAMENTOS DE DSPOSTOS ELECTRONCOS SEMCONDUCTORES DODO DE RUPTURA O DE AALANCHA Efecto de ruptura o de avalancha: temperatura Efecto Zener: campo eléctrico z Zona de ruptura o de avalancha
26 Diapositiva 26 FUNDAMENTOS DE DSPOSTOS ELECTRONCOS SEMCONDUCTORES DODO DE RUPTURA O DE AALANCHA Efecto de ruptura o de avalancha: temperatura p A Densidad de carga _ E _ n K X Campo eléctrico Potencial Electrones con mayor energía térmica generan huecos _ X Huecos con mayor energía térmica generan electrones o B X >> o
27 Diapositiva 27 FUNDAMENTOS DE DSPOSTOS ELECTRONCOS SEMCONDUCTORES DODO DE RUPTURA O DE AALANCHA Efecto Zener: campo eléctrico p A n K Densidad de carga _ X Campo Campo eléctrico _ intenso X Electrones con mayor energía potencial generan huecos Potencial B o X >>> o
28 Diapositiva 28 FUNDAMENTOS DE DSPOSTOS ELECTRONCOS SEMCONDUCTORES DODO ZENER COMO REGULADOR DE TENSÓN Carga variable = Cte. = Z L R = Cte. = Cte. L z zmín. R Z R = Z Z Si RL L Si RL L Z Z zmáx. L R L R Z Z L
29 Diapositiva 29 FUNDAMENTOS DE DSPOSTOS ELECTRONCOS SEMCONDUCTORES DODO DE RUPTURA O DE AALANCHA Ejercicio 8. En un circuito regulador de tensión de acuerdo con los datos calcular las incógnitas. DATOS NCOGNTAS Tensión de fuente () 24,00 ntensidad máx.en el Zener (ma) 80,00 ntensidad máx.de carga (ma) 100,00 Potencia máx. disipada Zener (W) 0,96 ntensidad mín.de carga (ma) 30,00 Resistencia de regulación (óhmios) 109,09 Tensión de regulación () 12,00 Resistencia de carga máx. (óhmios 400,00 ntensidad mín. del Zener(mA) 10,00 Resistencia de carga mín. (óhmios) 120,00
30 Diapositiva 30 FUNDAMENTOS DE DSPOSTOS ELECTRONCOS SEMCONDUCTORES DODO ZENER COMO REGULADOR DE TENSÓN Fuente variable Z = Cte. L = Cte. Cte. Cte. z zmín. R R = Z Si Si R Z Z Z Z L R L Z Z L zmáx.
31 Diapositiva 31 FUNDAMENTOS DE DSPOSTOS ELECTRONCOS SEMCONDUCTORES DODO DE RUPTURA O DE AALANCHA Ejercicio 9. En un circuito regulador de tensión de acuerdo con los datos calcular las incógnitas. DATOS NCOGNTAS Tensión de fuente mínima () 24,00 Resistencia de carga (óhmios) 400,00 Tensión de fuente máxima () 100,00 ntensidad máx.en el Zener (ma) 212,00 ntensidad en la carga (ma) 30,00 Potencia máx. disipada Zener (W) 2,54 Tensión de regulación () 12,00 Resistencia de regulación (óhmios) 363,64 ntensidad mín. del Zener(mA) 3,00
32 Diapositiva 32 FUNDAMENTOS DE DSPOSTOS ELECTRONCOS SEMCONDUCTORES DODO ZENER COMO REGULADOR DE TENSÓN Carga y fuente variables z zmín. R Z = Cte. = LRL Cte. Cte. R = L máx. Lmín. Z Z R L Z Zmáx. = R mín. Lmáx. Z Zmín. Z Z L R L zmáx.
33 Diapositiva 33 FUNDAMENTOS DE DSPOSTOS ELECTRONCOS SEMCONDUCTORES DODO DE RUPTURA O DE AALANCHA Ejercicio 10. En un circuito regulador de tensión de acuerdo con los datos calcular las incógnitas. DATOS NCOGNTAS Tensión de fuente mínima () 24,00 Resistencia de regulación (óhmios) 109,09 Tensión de fuente máxima () 100,00 ntensidad máx.en el Zener (ma) 776,67 ntensidad máx.de carga (ma) 100,00 Potencia máx. disipada Zener (W) 9,32 ntensidad mín.de carga (ma) 30,00 Resistencia de carga máx. (óhmios 400,00 Tensión de regulación () 12,00 Resistencia de carga mín. (óhmios) 120,00 ntensidad mín. del Zener(mA) 10,00
34 Diapositiva 34 FUNDAMENTOS DE DSPOSTOS ELECTRONCOS SEMCONDUCTORES DODO ZENER COMO REGULADOR DE TENSÓN Característica con pendiente: caso general Z Cte. Cte. Cte. máx. Zmáx. mín. R = = D z zmín. zmáx. R L Lmín. Z Z R L Zmáx. R Lmáx. Z Zmín. Zmín. Z r L R L
35 Diapositiva 35 FUNDAMENTOS DE DSPOSTOS ELECTRONCOS SEMCONDUCTORES DODO DE RUPTURA O DE AALANCHA Ejercicio 11. En un circuito regulador de tensión de acuerdo con los datos calcular las incógnitas (análisis). DATOS NCOGNTAS Tensión de fuente mínima () 20,00 Resistencia de regulación (óhmios) 250,00 Tensión de fuente máxima () 25,00 Tensión de regulación máx. () 10,77 Tensión nominal Zener () 10,00 Tensión de regulación mín. () 10,09 Resistencia del Zener (óhmios) 17,00 Potencia máx. disipada Zener (W) 0,48 ntensidad máx.del Zener(mA) 45,00 ntensidad mín. de carga (ma) 11,94 ntensidad mín. del Zener(mA) 5,00 Resistencia de carga mín. (óhmios) 201,70 ntensidad máx.de carga(ma) 50,00 Resistencia de carga máx. (óhmios 901,59
36 Diapositiva 36 FUNDAMENTOS DE DSPOSTOS ELECTRONCOS SEMCONDUCTORES DODO DE RUPTURA O DE AALANCHA Ejercicio 12. En un circuito regulador de tensión de acuerdo con los datos calcular las incógnitas (síntesis). DATOS NCOGNTAS Tensión de fuente mínima () 20,00 Resistencia de regulación (óhmios) 180,00 Tensión de fuente máxima () 25,00 ntensidad máx.en el Zener (ma) 68,17 ntensidad máx.de carga (ma) 50,00 Potencia máx. disipada Zener (W) 0,72 ntensidad mín.de carga (ma) 12,00 Resistencia del Zener (óhmios) 7,44 Tensión de regulación máx.() 10,57 Resistencia de carga máx. (óhmios) 880,83 Tensión de regulación mín.() 10,10 Resistencia de carga mín. (óhmios) 202,00 ntensidad mín. del Zener(mA) 5,00 Tensión Zener () 10,06
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