Tema 3. Diodos de unión

Transcripción

1 Introduccón a la Electrónca Tema 3. Dodos de unón 3.1 Introduccón 3.2 Dodos en estátca 3.3 Modelos aproxmados en cuas-estátca y gran señal 3.4 Modelo aproxmado en cuas-estátca y pequeña señal 3.5 Dodos en dnámca 3.6 Otros dodos Materal de apoyopara el grupo 14.2 de INEL Rebeca Herrero rebeca.herrero@es-def.upm.es IES-ETSIT, UPM, Curso

2 Introduccón a la Electrónca Tema 3. Dodos de unón OBJETIVOS Conocer la construccón, funconamento y prncpales aplcacones del dodo de unón p-n, así como los prncpales modelos que se usan para aproxmar su comportamento Dstngur entre los modos de funconamento en estátca y dnámca, así como entre gran señal y pequeña señal Analzar aplcacones sencllas que utlzan crcutos con dodos, fuentes ndependentes y resstencas, selecconando para ello el modelo adecuado y hacendo uso del método analítco (planteamento de hpótess, resolucón y erfcacón de hpótess) Conocer los dferentes tpos de dodos según sus funcones

3 Introduccón a la Electrónca Tema 3: Dodos de unón 3.1 Introduccón 3.2 Dodos en estátca 3.3 Modelos aproxmados en cuas-estátca y gran señal 3.4 Modelo aproxmado en cuas-estátca y pequeña señal 3.5 Dodos en dnámca 3.6 Otros dodos Objetos Presentar el funconamento no lneal del dodo, enuncando algunas de sus aplcacones Veremos la clasfcacón del régmen de funconamento del dodo Deducr, a partr de la físca de semconductores, el comportamento de una unón p-n en polarzacón drecta e nersa Bblografía Sedra, apto. 3.1 y 3.7 Sedra (5ª edcón)

4 Dodos INTRODUCCIÓN Dodo: dsposto de comportamento no lneal: deja pasar corrente en un sentdo y la bloquea en sentdo contraro ánodo cátodo I S = I S (T), corrente nersa de saturacón A (S) V T = kt/e, oltaje térmco, 25 mv(t 0 =290ºK) Componente paso no lneal Dependenca explícta de d/dt:

5 Dodos INTRODUCCIÓN Dodo: dsposto de comportamento no lneal: deja pasar corrente en un sentdo y la bloquea en sentdo contraro ánodo cátodo ON aproxmacón OFF Smlar a un nterruptor!

6 Dodos INTRODUCCIÓN El régmen de funconamento del dodo se clasfca según dos crteros: 1. mportanca de los fenómenos capactos Stuacón cuas-estátca* Stuacón dnámca 2. tensón y corrente del dsposto Pequeña señal Gran señal *Caso partcular: Estátca

7 Dodos INTRODUCCIÓN 1. mportanca de los fenómenos capactos Stuacón cuas-estátca Caso partcular: DC(estátca): Ecuacón de Shockley

8 Dodos INTRODUCCIÓN 1. mportanca de los fenómenos capactos Stuacón dnámca - Se mantenen las dependencas temporales - Efectos capactos no desprecables

9 Dodos INTRODUCCIÓN 2. tensón y corrente del dsposto Pequeña señal Se erfca que d (t)y d (t)son pequeños. Se puede aproxmar el dodo por un dsposto lneal

10 Dodos INTRODUCCIÓN 2. tensón y corrente del dsposto Gran señal d (t)y d (t)no son pequeños. No se puede aproxmar el dodo por un dsposto lneal

11 El dodo puede funconar en: Dodos INTRODUCCIÓN Stuacón cuas-estátca Pequeña señal Gran señal Pequeña señal Stuacón dnámca Gran señal

12 Cómo se fabrcan los dodos? tpo n En S, mpurezas grupo V (P, As, Sb,...) Dodos INTRODUCCIÓN A partr de la unón de semconductores con dstnto tpo de portadores de carga: tpo p En S, mpurezas grupo III (B, Al, Ga,...) P n=15 1s 2 2s 2 p 6 3s 2 p P B n=5 1s 2 2s 2 p B Concentracón de mpurezas donantes: N D Concentracón de mpurezas aceptoras: N A n +N A = N D + p ECUACIÓN DE NEUTRALIDAD DE CARGA

13 Dodos INTRODUCCIÓN Cómo se fabrcan los dodos? A partr de la unón de semconductores con dstnto tpo de portadores de carga: tpo p tpo p tpo n tpo n Dfusón de mayortaros I D N A N D N A N D ones aceptores ones donadores huecos electrones tpo p I D tpo n

14 Dodos INTRODUCCIÓN Cómo se fabrcan los dodos? A partr de la unón de semconductores con dstnto tpo de portadores de carga: tpo ptpo p tpo n tpo n Dfusón de mayortaros I D N A N A N D N D Regón despoblada de electrones lbres y huecos regón Regón de deplexón despoblada Zona de carga de espaco ones aceptores ones donadores -W p 0 W n huecos electrones tpo p II D tpo n

15 Dodos INTRODUCCIÓN Cómo se fabrcan los dodos? A partr de la unón de semconductores con dstnto tpo de portadores de carga: tpo p N A tpo n N D regón Regón de deplexón despoblada Zona de carga de espaco ones aceptores ones donadores -W p 0 W n Dfusón de mayortaros I D Regón despoblada de electrones lbres y huecos Dpolo de cargas fjas por las mpurezas onzadas: ZONA DE CARGA ESPACIAL huecos electrones tpo p II D tpo n

16 ξ V J x Dodos INTRODUCCIÓN Cómo se fabrcan los dodos? A partr de la unón de semconductores con dstnto tpo de portadores de carga: huecos tpo p N A tpo n N D regón Regón de deplexón despoblada Zona de carga de espaco ones aceptores ones donadores -W p 0 W n electrones Dfusón de mayortaros I D Regón despoblada de electrones lbres y huecos Dpolo de cargas fjas por las mpurezas onzadas: ZONA DE CARGA ESPACIAL El dpolo produce campo eléctrco ξ tpo p II D tpo n Barrera de potencal V J que se opone a la dfusón de portadores

17 Dodos INTRODUCCIÓN Cómo se fabrcan los dodos? A partr de la unón de semconductores con dstnto tpo de portadores de carga: huecos tpo p N A tpo n N D regón Regón de deplexón despoblada Zona de carga de espaco ones aceptores ones donadores -W p 0 W n electrones Dfusón de mayortaros I D Regón despoblada de electrones lbres y huecos Dpolo de cargas fjas por las mpurezas onzadas: ZONA DE CARGA ESPACIAL El dpolo produce campo eléctrco ξ Barrera de potencal V J que se opone a la dfusón de portadores tpo p II D I S tpo n Arrastre de mnortaros I S ξ V J x

18 Dodos INTRODUCCIÓN Cómo funconan los dodos? El campo eléctrco nterno y la barrera de potencal asocada son el fundamento. La corrente de dfusón I D es fuertemente dependente de la barrera de potencal La corrente de arrastre I S es fuertemente dependente de la temperatura Como arían estas correntes con el oltaje del dsposto se erá en el sguente apartado: Dodo en estátca N V 0 =V ln J T N A D 2 n Voltaje de barrera N=concentracón ntrínseca εε 0 = permtdad relata w = w + w = 2ε V s dep p n J 0 e N A ND Anchura de ZCE

19 Introduccón a la Electrónca Tema 3: Dodos de unón 3.1 Introduccón 3.2 Dodos en estátca 3.3 Modelos aproxmados en cuas-estátca y gran señal 3.4 Modelo aproxmado en cuas-estátca y pequeña señal 3.5 Dodos en dnámca 3.6 Otros dodos Objetos Introducr las propedades eléctrcas del dodo a traés del modelo deal Caracterzar el comportamento del dodo en sus tres regones de funconamento medante la ecuacón de Shockley y su característca en la zona de ruptura Conocer los prncpales efectos de la temperatura en la característca de un dodo Bblografía Sedra, apto. 3.2 y 3.7 (5ª Edcón)

20 Dodos en estátca 1. mportanca de los fenómenos capactos Stuacón cuas-estátca Caso partcular: DC(estátca): Ecuacón de Shockley

21 Ecuacón de Shockley Dodos en estátca D <=0,Polarzacón nersa D >=0, Polarzacón drecta OFF V γ Estados del dodo: ON (conduccón): D > V γ OFF (corte): D < V γ

22 Dodos en estátca Polarzacón drecta p n +V Toda la tensón aplcada se nerte en dsmnur la barrera de tensón en la unón V J0 V J =V J0 -V x Dsmnucón de la barrera Huecos de la zona p se nyectan en la zona n y electrones de la zona n en la zona p INYECCIÓN DE MAYORITARIOS w 2ε S 1 1 = + J V e N A N D dep 0 ( V ) Esta nyeccón de portadores dsmnuye la anchura de la zona de deplexón I V Dfunden ahora como mnortaros, recombnándose a medda que aanzan Predomna corrente de dfusón (I D >I S ), fuertemente dependente del oltaje

23 Dodos en estátca Polarzacón nersa p n -V R Toda la tensón aplcada se nerte en aumentar la barrera de tensón en la unón V J0 V J =V J0 +V R x Aumento de la barrera Electrones de la zona p se nyectan en la zona n y huecos de la zona n en la zona p INYECCIÓN DE MINORITARIOS 2ε S 1 1 = + J R e N A N D w dep 0 ( V + V ) Esta nyeccón de portadores deja más ones descubertos, aumentando la anchura de la zona de deplexón I V Predomna corrente de arrastre (I S >I D ) Al nyectar portadores de los que hay pocos en sus zonas de orgen, correntes muy débles

24 Dodos en estátca Dependenca de la ecuacón de Shockley con la temperatura: OFF V γ A traés de dos parámetros: Estados del dodo: ON (conduccón): D > V γ OFF (corte): D < V γ 1. B = constante S = seccón del dsposto n (T) = concentracón ntrínseca S p n 2. afecta al alor de la tensón de codo V γ

25 Dodos en estátca Dependenca de la ecuacón de Shockley con la temperatura: Tensón de codo: V γ (S) = 0,5-0,7 V V γ (GaAs) = 1,2 V V γ (Ge) = 0,3 V Dependenca de la ecuacón de Shockley con la temperatura: I S (T): aumenta al aumentar T V γ (T): dsmnuye al aumentar T T 2 >T 2 >T 1 Aunque la aracón de, a corrente constante, con la temperatura no es unforme, se suele tomar: T = K En slco, K 2 mv/ o C

26 Dodos en estátca Modfcacones de la ecuacón de Shockley: a) Factor de dealdad ndstnto de 1 n = n(t, V), aunque en la práctca es cte, típcamente entre 1 y 2. b) Dsrupcónde la unón para polarzacón nersa eleada (V<-V Z ): V Z La corrente nersa crece rápdamente para ncrementos de tensón muy pequeños V γ Se dstnguen dos mecansmos de ruptura: Zener y aalancha

27 Dodos en estátca Modfcacones de la ecuacón de Shockley: a) Factor de dealdad ndstnto de 1 n = n(t, V), aunque en la práctca es cte, típcamente entre 1 y 2. b) Dsrupcónde la unón para polarzacón nersa eleada (V<-V Z ): V Z aríacon la temperatura: aumentaal aumentar Tpara el mecansmo de aalancha dsmnuyeal aumentar T para el mecansmo Zener T 1 T 2 >T 1 En slco, V Z 2 mv/ºc Aalancha T 2 >T 1 Zener T 2 >T 1

28 Dodos en estátca Regones de funconamento: 1. >Vγ DIRECTA ON, en conduccón 2. -V Z <<Vγ INVERSA OFF, en corte V Z V γ 3. < -V Z DISRUPCIÓN

29 Dodos en estátca Ej. 1. En el crcuto de la fgura, obtenga la relacón entre I 1 e I 2 sabendo que los alores de correntenersadesaturacóndelosdodosaleni S1 =4nAeI S2 =1nAyqueV T =25mV I I 2 D 1 D 2 Ej. 2. En el crcuto de la fgura, obtenga la relacón entre V 1 y V 2 para polarzacón drecta sabendo que los alores de corrente nersa de saturacón de los dodos alen I S1 = 4 na e I S2 =1nAyqueV T =25mV(suponendo V 1 yv 2 >3V T ) I D 1 D 2 Ej.3.ObtenerlascaracterístcasI-Vparalascombnaconesdedodosdelosejerccos1y2.

30 RESUMEN DEL APTO. 3.2 Idealmente, el dodo deja pasar corrente cuando se polarza en sentdo posto e mpde el paso de corrente en sentdo contraro. Lacura-deldodosederadelaspropedadesfíscasdelaunónp-n. La ecuacón de Shockley caracterza el comportamento del dodo en las regones de drecta(tensón práctcamente constante a partr de un certo alor) e nersa(corrente práctcamente nula). En drecta se nyectan portadores mayortaros (en su zona de orgen), quesedfundencomomnortarosalotroladodelaunón,dandolugara una corrente fuertemente dependente del oltaje aplcado. En nersa se nyectan portadores mnortaros (en su zona de orgen), dando lugar a correntes de arrastre muy débles. A partr de una determnada tensón negata, el dodo entra en dsrupcón, permtendo el paso de corrente de cátodo a ánodo. La tensón de ruptura marca el límte a partr de la cual fenómenos de aalancha o Zener producen correntes negatas grandes con ncrementos de tensón pequeños. Al aumentar la temperatura de trabajo, la cura característca del dodo se desplaza.

31 Introduccón a la Electrónca Tema 3: Dodos de unón 3.1 Introduccón 3.2 Dodos en estátca 3.3 Modelos aproxmados en cuas-estátca y gran señal 3.4 Modelo aproxmado en cuas-estátca y pequeña señal 3.5 Dodos en dnámca 3.6 Otros dodos Objetos Presentar modelos lneales por tramos que aproxman el comportamento del dodo y permten un análss crcutal sencllo Famlarzarse con el uso de estos modelos para la resolucón de crcutos de contnua y con señales de aracón lenta Conocer, a partr del análss con estos modelos, algunas de las aplcacones de los dodos en crcutos electróncos sencllos Bblografía Sedra, apto. 3.3 (5ª edcón)

32 Habíamos sto hablando de componentes que la presenca de elementos no lneales no suele permtr obtener solucones analítcas en la resolucón de crcutos Ej.4.Enelcrcutodelafgura, a) obtenga el sstema de ecuacones I-V, Modelos en cuas-estátca y gran señal b) represente la solucón gráfca usando la ecuacón característca del dodo c) resuela numércamente el sstema del apartado a) Datos:V DD =10VR=1KΩ a) Ecuacón trascendente: b) Solucón gráfca: V D V DD = RID + VD = RIS exp + V 1 T V D c) Solucón por teracón Ecuacón de Shockley: apropada para modelar el dodo en drecta e nersa, pero engorrosa y poco práctca para análss de crcutos

33 Modelos en cuas-estátca y gran señal Crcutos complejos: necesdad de un análss rápdo R f Modelos aproxmados por tramos lneales: smplfcacón del análss balance precsón-complejdad -V Z R r V Ejemplo: aproxmacón por tres resstencas R Z Útles para dodos trabajando en cuas-estátca y gran señal Gran señal D (t)y D (t)no son pequeños. Estudaremos cnco modelos lneales por tramos: + - Modelo 1 Dodo deal Modelo 2 Tensón de codo Modelo 3 Tensón de codo y resstenca drecta Modelo 4 Tensón de codo y dsrupcón Modelo 5 Tensón de codo y resstencas drecta y dsrupcón

34 Modelos en cuas-estátca y gran señal Modelo 1: DIODO IDEAL Regón Condcón Ecuacón Crcuto equalente + - INVERSA <0 =0 + - DIRECTA >0 =0

35 Modelos en cuas-estátca y gran señal Modelo 2: TENSIÓN DE CODO Regón Condcón Ecuacón Crcuto equalente + - INVERSA <V γ =0 + - V γ DIRECTA >0 =V γ V g

36 Modelos en cuas-estátca y gran señal Modelo 3: TENSIÓN DE CODO Y RESISTENCIA DIRECTA Regón Condcón Ecuacón Crcuto equalente + - INVERSA <V γ =0 + - V γ DIRECTA >0 >V γ = r f + V γ r f V γ

37 Modelos en cuas-estátca y gran señal Modelo 4: TENSIÓN DE CODO Y DISRUPCIÓN Regón Condcón Ecuacón Crcuto equalente + - DISRUP. <0 =-V Ζ V Z -V Ζ V γ INVERSA -V z <<V γ =0 + - DIRECTA >0 =V γ V γ

38 Modelos en cuas-estátca y gran señal Modelo 5: TENSIÓN DE CODO Y RESISTENCIAS DIRECTA Y ZENER Regón Condcón Ecuacón Crcuto equalente + - -V Ζ V γ DISRUP. < 0 =-V Ζ + < -V z r z INVERSA -V z <<V γ =0 r Z V Z + - DIRECTA >0 >V γ =r f + V γ r f V γ

39 Modelos en cuas-estátca y gran señal ANÁLISIS DE CIRCUITOS EN ESTÁTICA 1.-Plantear hpótess sobre la regón de funconamento en que se encuentran los dodos 2.-Elegr modelo aproxmado y susttur dodos por sus crcutos equalentes 3.- Calcular correntes y tensones medante análss de crcutos 4.-Comprobar la aldez de las hpótess, erfcando el cumplmento de las condcones - S no hay contradccón, planteamento correcto - S hay contradccón, replantear a partr de otra hpótess

40 Modelos en cuas-estátca y gran señal ANÁLISIS DE CIRCUITOS EN ESTÁTICA Para modelos de tres estados suele ser recomendable: Hpótess falsa Nuea hpótess OFF, D < γ ON, D > 0 OFF,- Z < D DISRUPCIÓN ON cualquera DISRUPCIÓN cualquera

41 Ej. 5. Suponendo que los dodos de los sguentes crcutos se pueden aproxmar por nterruptores deales en funcón de su polarzacón, encuentre los alores de I y V en cada caso. V γ V γ -V Z V γ -V Z V γ

42 Ej. 6. Suponendo que los dodos de los sguentes crcutos se pueden aproxmar por nterruptores deales en funcón de su polarzacón, encuentre los alores de I y V en cada caso.

43 Ej. 7. Suponendo que los dodos de los sguentes crcutos se pueden aproxmar por nterruptores deales en funcón de su polarzacón, encuentre los alores de I y V en cada caso.

44 Modelos en cuas-estátca y gran señal Ej 8.En el crcuto de la fgura, calcule la corrente que atraesa el dodo, s se usa un modelo de tensón de codo con V γ = 0,5 V. Represente la solucón gráfca. R=1 kω V G =10 V V γ V γ -V Z V γ -V Z V γ

45 Modelos en cuas-estátca y gran señal Ej 9.En el crcuto de la fgura, calcule la potenca dspada por cada dodo. Use el modelo de tensón de codo y dsrupcón, con V γ (T=300ºk)= 0,5 V y V Z (T=300ºk)=4 V, dv γ /dt=-2mv/ºk (a 300ºK), dv Z /dt=0 (a 300ºK), D 1 R 1 =1 kω V CC =10 V R 2 =1 kω D 2 V γ V γ -V Z V γ -V Z V γ

46 Modelos en cuas-estátca y gran señal ANÁLISIS DE CIRCUITOS EN CUASI-ESTÁTICA 1.-Susttur generador G (t)por uno de contnua (alor nstantáneo). 2.-Calcular la funcón de transferenca O =f( G ) - Resoler crcuto de estátca para todas las hpótess. -Calcular rango de alores de G para el que cada hpótess es certa. -Obtener la solucóndel crcuto enlazando las solucones de cada crcuto lneal. 3.-Presentar la solucón O (t)=f( G (t))

47 Modelos en cuas-estátca y gran señal Ej 10.Calcular la funcón de transferenca O =f( G ) en el crcuto de la fgura s G (t) = 3sen(2t). Para ello, suponga: -el modelo deal -el modelo de tensón de codo con V γ = 0,7 V. -el modelo de tensón de codo V γ = 0,7 V y resstencas drecta r f = 1 Ωy Zener r Z = 2Ω, con V Z = 2,8 V. G R=1 kω + O -

48 RESUMEN DEL APTO 3.3 Para smplfcar el análss con dodos usamos modelos lneales por tramos. La eleccón entre un modelo u otro se basa en un compromso entre precsón del resultado y complejdad del análss. Para resoler un crcuto con dodos en contnua se ha de plantear una hpótess sobre el estado del dodo, resoler el crcuto, y erfcar el cumplmento de la hpótess ncal. Pararesoleruncrcutocondodosenaracónlenta,sehaderesolerel crcuto para todas las hpótess, planteando el rango de alores de la señal deentradaparacadaunadeellas. Algunas aplcacones de dodos en crcutos electróncos: regulacón de oltajes, rectfcacón de señales, recorte, fjacón de nel, etc.

49 Introduccón a la Electrónca Tema 3: Dodos de unón 3.1 Introduccón 3.2 Dodos en estátca 3.3 Modelos aproxmados en cuas-estátca y gran señal 3.4 Modelo aproxmado en cuas-estátca y pequeña señal 3.5 Dodos en dnámca 3.6 Otros dodos Objetos Interorzar los conceptos de polarzacón y pequeña señal Justfcar la pertnenca y el uso de la aproxmacón de pequeña señal a partr de la deduccón del crcuto equalente del dodo Mostrar algunas aplcacones sencllas de crcutos con dodos trabajando en frecuencas medas y pequeña señal Bblografía Sedra, apto (5ª edcón)

50 Modelos en cuas-estátca y pequeña señal Según el modo de operacón del dodo: Stuacón cuas-estátca Se pueden desprecar los efectos capactos. Pequeña señal Se puede aproxmar el dodo por un dsposto lneal.

51 Modelos en cuas-estátca y pequeña señal La componente de polarzacón fja el punto de trabajo: La señal modula el la operacón del dodo alrededor del punto de trabajo: Ejemplo: D s (t) D (t) D V AA D Ecuacón de Shockley

52 Modelos en cuas-estátca y pequeña señal La componente de polarzacón fja el punto de trabajo: La señal modula el la operacón del dodo alrededor del punto de trabajo: Ejemplo: D (t) D V AA = D +R D D s (t) V AA Q V AA D Ecuacón de Shockley + recta de carga

53 Modelos en cuas-estátca y pequeña señal La componente de polarzacón fja el punto de trabajo: La señal modula el la operacón del dodo alrededor del punto de trabajo: Ejemplo: D (t) D V AA = D +R D D s (t) V AA Q V AA D D = V D + s (t) t Modulacón del punto de trabajo

54 Modelos en cuas-estátca y pequeña señal La componente de polarzacón fja el punto de trabajo: La señal modula el la operacón del dodo alrededor del punto de trabajo: Ejemplo: D (t) D V AA = D +R D D s (t) V AA Q V AA -V s =R D + D D V AA D = V D + s (t) t Modulacón mínma del punto de trabajo

55 Modelos en cuas-estátca y pequeña señal La componente de polarzacón fja el punto de trabajo: La señal modula el la operacón del dodo alrededor del punto de trabajo: Ejemplo: D (t) D V AA = D +R D D (t)=i D + s (t) D s (t) V AA Q V AA -V s =R D + D D V AA D = V D + s (t) t Modulacón máxma del punto de trabajo

56 Modelos en cuas-estátca y pequeña señal Matemátcamente se puede aproxmarla operacón del dodo por una funcón lneal alrededor del punto de trabajo. Desarrollo en sere de Taylor (1 er orden): donde: ec. Shockley Entonces: conductanca de pequeña señal del dodo

57 Modelos en cuas-estátca y pequeña señal Matemátcamente se puede aproxmarla operacón del dodo por una funcón lneal alrededor del punto de trabajo. Susttuyendo la ecuacón de Shockley como f(x): Como: Entonces: Por tanto:

58 Modelos en cuas-estátca y pequeña señal Matemátcamente se puede aproxmarla operacón del dodo por una funcón lneal alrededor del punto de trabajo. Habíamos defndo en el prmer tema la señal completa como sumade componente de polarzacón y señal propamente dcha: A (t) = V A (t)+ a (t) = De manera que: Relacón lneal -

59 Modelos en cuas-estátca y pequeña señal Matemátcamente se puede aproxmarla operacón del dodo por una funcón lneal alrededor del punto de trabajo. Rango de aldez de la aproxmacón lneal: Consderamos una buena aproxmacón s se cumple: Error cometdo a prmer orden desprecando órdenes superores En nuestro caso:

60 Modelos en cuas-estátca y pequeña señal Matemátcamente se puede aproxmarla operacón del dodo por una funcón lneal alrededor del punto de trabajo. Consderaremos que se debe cumplr: hasta un 10% de dstorsón no lneal Sendo: Entonces: Condcón de pequeña señal

61 Modelos en cuas-estátca y pequeña señal Matemátcamente se puede aproxmarla operacón del dodo por una funcón lneal alrededor del punto de trabajo. Aproxmaremos: En nersa (I D = -I S ) En drecta (I D >> -I S ) Gran s. pequeña señal: GS: modelos lneales por tramos aproxmacón global PS: modelo lneal alrededor de pto. de trabajo aproxmacón local

62 ANÁLISIS DE CIRCUITOS EN CUASI-ESTÁTICA Y PEQUEÑA SEÑAL 1.-Cálculo de la polarzacón y del punto de trabajo de cada dodo -En el crcuto orgnal se anulanlos generadores ndependentes de pequeña señal. generador de tensón g = 0 cortocrcuto generador de corrente g = 0 crcuto aberto -Resoler el crcuto de estátca utlzando modelos lneales por tramos (gran señal), calculando I D, V D para cada dodo. 2.-Cálculo de la pequeña señal -En el crcuto orgnal se anulanlos generadores ndependentes de contnua, quedando los de pequeña señal. generador de tensón V G = 0 cortocrcuto generador de corrente I G = 0 crcuto aberto -Calcularlos alores r d (I D ) para cada dodo. - Susttur cada dodo por su resstenca equalente de pequeña señal. -Resoler el crcuto de pequeña señal calculando d, d. 3.-Cálculo de la solucón fnal: Modelos en cuas-estátca y pequeña señal

63 Modelos en cuas-estátca y pequeña señal Ej 11.Calcular D (t) y D (t) en el crcuto de la fgura, utlzando un modelo lneal por tramos para el dodo trabajando en estátca, con los sguentes parámetros: -V γ = 0,5 V. -r f = 0 Ω. -V T = 25 mv. -V AA = 10 V -R = 1kΩ + - D s (t) D (t) R + 0 (t) V AA -

64 Modelos en cuas-estátca y pequeña señal Ej12.Sea el componente de la fgura, donde R = 1 kω, V T = 25 mvy V γ = 700 mv. Dcho componente actúa como una resstenca de tensón lmtada. Obtenga: a) La tensón límte utlzando un modelo lneal por tramos con tensón de codo. b) La característca I-V del componente. c) Consderando la aproxmacón del modelo de Shockleycon I S = 2,1 pa, calcule la resstenca equalente R eq del componente en pequeña señal para un punto de trabajo V Q = 580 mv + R -

65 Modelos en cuas-estátca y pequeña señal Ej13.Consdereelcrcutodelafgura,enelquese usantres dodosensere,conv γ =0,7V,para fjarunatensóndealrededorde2,1v. a) Suponendo que al alor de la fuente de almentacón se superpone una snusode de 50 Hz de 1 V pco (mperfeccón de la fuente conocda como rzado de fuente), calcule el porcentajedearacóndeloltajeregulado o. b)hagauncálculosmlarparaelcasoenqueseconecteunaresstencadecargade1kω. DATOS:V CC =10V;R=1kΩ;V T =0,025V V CC R + O -

66 RESUMEN DEL APTO. 3.4 Para señales arables pequeñas ( d << V T ), se puede descomponer el análss de un crcuto con dodos en dos partes: Análss del crcuto de polarzacón, elmnando las señales arables, con el modelo de estátca y gran señal Análss del crcuto equalente de pequeña señal, elmnando las señales contnuas y susttuyendo el dodo por una resstenca ncremental(cuyo alor depende del punto de trabajo) La aproxmacón de pequeña señal se basa en equparar la cura característca del dodo, en un pequeño margen, a una recta tangente a la msmaenelpuntodetrabajo

67 Introduccón a la Electrónca Tema 3: Dodos de unón 3.1 Introduccón 3.2 Dodos en estátca 3.3 Modelos aproxmados en cuas-estátca y gran señal 3.4 Modelo aproxmado en cuas-estátca y pequeña señal 3.5 Dodos en dnámca 3.6 Otros dodos Objetos Defnr el régmen de funconamento en dnámca Mostrar el orgen de las capacdades nternas del dodo Conocer los modelos del dodo en dnámca, para gran señal y pequeña señal Bblografía Sedra, apto y (5ª Edcón)

68 Dodos en dnámca Dnámca: régmen de funconamento en el que la rápda aracón de las señales mpde desprecar los efectos capactos asocados a los dspostos Stuacón dnámca - Se mantenen las dependencas temporales - Efectos capactos no desprecables No exste cura característca

69 Dodos en dnámca Dnámca: régmen de funconamento en el que la rápda aracón de las señales mpde desprecar los efectos capactos asocados a los dspostos La capacdad del dodo tene dos componentes: C j Capacdad de unón / deplexón C d Capacdad de dfusón

70 Dodos en dnámca C j Capacdad de unón / deplexón regón despoblada Regón de deplexón Zona de carga de espaco huecos tpo p -W p 0 W n tpo n electrones Q Q p J con = ew w p A dep N A NAND = e N + N A = Q D = w p w n dep + w = ew N A, n n D A V=0 V<0 Q n Al arar el oltaje aplcado a la unón, aría la carga almacenada en la zona de deplexón efecto capacto Q n Q p Q p x w dep 2εS e 1 N 1 N = + J0 A D ( V V )

71 Dodos en dnámca C j Capacdad de unón / deplexón regón despoblada Regón de deplexón Zona de carga de espaco huecos tpo p -W p 0 W n tpo n electrones Q Q p J con = ew w p A dep N A NAND = e N + N A = Q D = w p w n dep + w = ew N A, n n D A Capacdad de deplexón: dependente del oltaje C J SA = ε w dep = C j0 V 1 V J0 Capacdad dep. (pf) C j0 =0,8 pf V J0 =0,728 V Voltaje (V)

72 Dodos en dnámca C d Capacdad de dfusón huecos V regón despoblada -W p 0 W n Regón de deplexón Zona de carga de espaco electrones Carga asocada al exceso de mnortaros en las regones p y n, a ambos lados de la zona de deplexón efecto capacto tpo p tpo n V=0 n p (x) p n (x) V>0 n p (x) p n (x) Q n Q p Q n Q p p n0 n p0 x p n0 n p0 x C d = Bexp V d T

73 Dodos en dnámca Incluyendo las capacdades asocadas al funconamento en dnámca y gran señal: ( t) d( t) ( t) = IS exp 1 + Cj( ( t)) + C V T dt d d( t) ( ( t)) dt dnámca + - estátca C d C j + - En general, según el estado del dodo, se cumple: En drecta C d >>C j ON C d >>C j OFF C d <<C j C d En nersa C j >>C d C j

74 Dodos en dnámca Incluyendo las capacdades asocadas al funconamento en dnámca y pequeña señal: Se cumple entonces la relacón lneal: Crcuto equalente: 1/g d C j C d C C j d Valores medos alrededor del punto de trabajo

75 Prueba Julo 2011

76 RESUMEN DEL APTO. 3.5 En el régmen de funconamento en dnámca se hacen sentr efectos capactos nternos a los dspostos electróncos La capacdad de deplexón del dodo se debe a la carga almacenada en la zona de deplexón. Domna en el funconamento en nersa La capacdad de dfusón del dodo se debe al exceso de mnortaros nyectados a ambos lados de la zona de deplexón. Domna en el funconamento en drecta Se pueden analzar crcutos con dodos en dnámca a partr de crcutos equalentes en los que aproxmamos las capacdades nternas, dependentes del oltaje, por alores medos alrededor del punto de trabajo.

77 Introduccón a la Electrónca Tema 3: Dodos de unón 3.1 Introduccón 3.2 Dodos en estátca 3.3 Modelos aproxmados en cuas-estátca y gran señal 3.4 Modelo aproxmado en cuas-estátca y pequeña señal 3.5 Dodos en dnámca 3.6 Otros dodos Objetos Conocer el funconamento básco de tpos especales de dodos. Conocer algunas de sus aplcacones más comunes. Identfcar dchos componentes en análss de crcutos. Bblografía Sedra, apto. 3.4 y 3.8 (5ª Edcón)

78 Dodo Zener: Otros dodos Exsten dodos específcamente dseñados para realzar tareas específcas. cátodo ánodo - Trabaja en dsrupcón. -ProporconaunatensóndereferencaV z. Dodo aractor(arcap): cátodo ánodo - Condensador arable. -C D controladoportensóndepolarzacón.

79 Otros dodos Exsten dodos específcamente dseñados para realzar tareas específcas. Dodo Schottky: cátodo ánodo - Contacto metal-semconductor rectfcante -SuelenpresentartensonesdecodoV γ menores - Dsposto controlado por mayortaros(rápdo). Fotododo: - Sensbles a la luz (superfce descuberta). -Generan una fotocorrenteproporconal a ntensdad de lumnacón. -Se suelen utlzar como receptores de comuncacón óptca operando en nersa.

80 Otros dodos Exsten dodos específcamente dseñados para realzar tareas específcas. Célula solar: - Sensbles a la luz (superfce descuberta). -Generan una fotocorrenteproporconal a ntensdad de lumnacón. - Operan en drecta, generando potenca. Dodos emsores de luz(leds): -Operando en ON emte luz monocromátca, que puede ser coherente (laser). -La ntensdad de la luz emtda es proporconal a la corrente que se nyecta en el componente. - Emsón por recombnacón radatade electrones y huecos. - LED + fotododo = optoaslador

81 Ej. 14.

82 Ej. 15.

83 Prueba Julo 2011

84 CONCEPTOS CLAVE DEL TEMA 3 Estados del dodo: drecta, nersa y dsrupcón Estátca y dnámca, gran señal y pequeña señal Uso de modelos aproxmados por tramos para el análss en estátca de crcutos con dodos Resolucón de crcutos en estátca por el método analítco (planteamento de hpótess del estado del dsposto, resolucón y erfcacón de hpótess) Aproxmacón de pequeña señal