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Transcripción

1 Electrónica Tema 1 Semiconductores

2 Contenido Consideraciones previas: Fuentes de corriente Teorema de Thevenin Teorema de Norton Conductores y Semiconductores Unión p-n Fundamentos del diodo 2

3 Fuente de tensión ideal Mantiene una tensión de salida constante, independientemente del valor de R L. 10 V R L V RL = 10 Voltios El modelo ideal puede denominarse primera aproximación. 3

4 Fuentes de tensión Una fuente ideal no tiene resistencia interna La segunda aproximación de una fuente de tensión tiene resistencia interna Una fuente de tensión constante tiene una resistencia interna cuyo valor es 1/100 del valor de la resistencia de carga 4

5 Fuente de tensión real Tiene una resistencia interna en serie con la fuente R S 10 V R L V RL < 10 Voltios Este modelo se conoce como la segunda aproximación. Si R L es igual o mayor que 100 veces R S, la fuente de tensión es constante y se puede emplear la primera aproximación. 5

6 Fuente de corriente ideal Mantiene una corriente de salida constante, independientemente del valor de R L. 1 A R L I RL = 1 Amperio El modelo ideal puede denominarse primera aproximación. 6

7 Fuente de corriente real Presenta una resistencia interna grande en paralelo con la fuente R S R L 1 A I RL < 1 Amperio Este modelo se conoce como la segunda aproximación. Si R S es igual o mayor que 100 veces R L, se dice que la fuente de corriente es constante y se puede utilizar la primera aproximación. 7

8 Teorema de Thevenin Se emplea para reemplazar cualquier circuito lineal por una fuente de tensión equivalente designada por V TH y una resistencia equivalente designada por R TH 8

9 Ejemplo de Thevenin Circuito original 9

10 El teorema de Thevenin puede utilizarse para reemplazar cualquier circuito lineal por una fuente de tensión equivalente V TH y una resistencia equivalente R TH. 6 kω 4 kω 72 V 3 kω R L R TH V TH Calcular o medir Eliminar Calcular V la carga. TH en la los o fuente. medir terminals. la resistencia de Thevenin (R TH ) 10

11 Tensión de Thevenin 11

12 Circuito equivalente de Thevenin Circuito Original 72 V 6 kω 4 kω 3 kω R L Circuito equivalente de Thevenin 6 kω (R TH ) 24 V (V TH ) R L 12

13 Teorema de Norton Se emplea para reemplazar cualquier circuito lineal por una fuente de corriente equivalente designada por I N y una resistencia equivalente designada por R N 13

14 Resistencia de Norton 6 kω 4 kω 72 V 3 kω R L IR NN R Cortocircuitar N es igual que la R TH carga. para hallar I N. 14

15 Corriente de Norton I N = 4 ma R N = 6 KΩ 15

16 Circuito equivalente de Norton Circuito original 72 V 6 kω 4 kω 3 kω R L Circuito equivalente 4 ma (I de Norton N ) 6 kω (R N ) R L 16

17 Circuito equivalente de Thevenin 6 kω (R TH ) 24 V (V TH ) R L Conversión de circuitos R N = R TH V TH I N = RTH Circuito de Norton 4 ma (I dual N ) 6 kω (R N ) R L 17

18 Un dispositivo en abierto La corriente a su través es igual a cero. La tensión que cae en él es desconocida. V = cero x infinito {indeterminado} 18

19 Un dispositivo cortocircuitado La tensión que cae en él es igual a cero. La corriente que circula por él es desconocida. I = 0/0 {indeterminado} 19

20 Conductor Material que permite que la corriente fluya. Ejemplos: cobre, plata, oro. Los mejores conductores tienen un electrón de valencia. 20

21 Estructura atómica del cobre 21

22 Parte interna Núcleo y orbitales internos. El orbital exterior o de valencia controla las propiedades eléctricas. La parte interna del átomo de cobre tiene una carga neta de

23 Parte interna del cobre 23

24 Electrón libre La atracción entre la parte interna del átomo y el electrón de valencia es débil. Una fuerza externa puede fácilmente arrancar un electrón libre de un átomo. 24

25 Semiconductor Un elemento con propiedades eléctricas entre las de un conductor y las de un aislante. 25

26 Ejemplos de semiconductores Los semiconductores tienen normalmente 4 electrones de valencia. Germanio. Silicio. 26

27 Diagramas de la parte interna del cobre y el silicio: Un electrón de valencia Cuatro electrones de valencia Cobre Silicio El núcleo más los orbitales de electrones internos. 27

28 Los átomos de silicio en un cristal comparten los electrones. Saturación de valencia: n = 8 Puesto que los electrones de valencia están enlazados, un cristal de silicio a temperatura ambiente es casi un aislante perfecto. 28

29 En el interior de un cristal de silicio La energía térmica crea algunos electrones libres y huecos. Otros electrones libres y huecos se recombinan. La recombinación puede durar desde unos pocos nanosegundos hasta varios microsegundos. El tiempo entre la creación y la recombinación de un electrón libre y un hueco es el tiempo de vida. 29

30 Los cristales de silicio se dopan para proporcionar portadores permanentes. Electrón libre Hueco (tipo n) (tipo p) Dopante pentavalente Dopante trivalente 30

31 Semiconductor intrínseco Es un semiconductor puro. Un cristal de silicio es intrínseco si todo átomo del cristal es un átomo de silicio. Existen dos tipos de flujo de corriente: electrones y huecos. 31

32 Dopaje Adición de impurezas a un cristal intrínseco para alterar sus propiedades conductividad eléctrica. Un semiconductor dopado es un semiconductor extrínseco. 32

33 Este cristal ha sido dopado con una impureza pentavalente. Los electrones libres en el silicio de tipo n soportan el flujo de corriente. 33

34 Este cristal ha sido dopado con una impureza trivalente. Los huecos en el silicio de tipo p soportan el flujo de la corriente. Observe que la corriente de huecos es opuesta a la corriente de electrones. 34

35 Resumen sobre semiconductores El material más popular es el silicio. Los cristales puros son semiconductores intrínsecos. Los cristales dopados son semiconductores extrínsecos. Los cristales se dopan para ser de tipo n o de tipo p. Un semiconductor de tipo n tendrá pocos portadores minoritarios (huecos). Un semiconductor de tipo p tendrá pocos portadores minoritarios (electrones). 35

36 Un semiconductor puede doparse para tener un exceso de electrones libres o de huecos. Los dos tipos de semiconductores dopados son el tipo n y el tipo p. 36

37 Dopar un cristal con ambos tipos de impurezas da lugar a un diodo de unión pn. P Unión N Ión Ión negativo positivo Algunos electrones cruzarán la unión y rellenarán huecos. Cada vez que esto ocurre se crea una pareja de iones. A medida que esta carga de iones crece, evita una ulterior 37 migración de la carga a través de la unión.

38 La barrera de potencial pn La difusión de electrones crea pares de iones denominados dipolos. Cada dipolo tiene asociado un campo eléctrico. La unión alcanza el equilibrio cuando la barrera de potencial impide que se produzca más difusión. A 25 grados C, la barrera de potencial para una unión pn de silicio es aproximadamente 0,7 voltios. 38

39 Cada electrón que atraviesa la unión y rellena un hueco elimina de forma efectiva ambos portadores de corriente. P N Zona de deplexión Esto da lugar a una región en la unión que se vacía de portadores y actúa como un aislante. 39

40 Polarización directa Los portadores se mueven hacia la unión y colapsan la zona de deplexión. Si la tensión aplicada es mayor que la barrera de potencial, el diodo conduce. 40

41 Polarización inversa Los portadores se mueven alejándose de la unión. La zona de deplexión se reestablece y el diodo no conduce, se corta. 41

42 Polarización de diodo Los diodos de silicio conducen con una polarización directa de aproximadamente 0,7 voltios. Con polarización inversa, la zona de deplexión se hace más ancha y el diodo se corta. Existe una pequeña corriente de portadores minoritarios con la polarización inversa. El flujo inverso debido a las portadores térmicos se denomina corriente de saturación. 42

43 Disrupción del diodo Los diodos no pueden soportar los valores extremos de la polarización inversa. Cuando la polarización inversa es alta, se produce una avalancha de portadores debida al rápido movimiento de los portadores minoritarios. El rango típico de los valores de disrupción va desde 50 voltios hasta 1000 voltios. 43

44 Niveles de energía Es necesaria energía extra para que un electrón salte a un orbital de mayor energía (más alto). Cuanto más alejados están los electrones del núcleo, mayor es su energía potencial. Cuando un electrón cae en un orbital más bajo, pierde energía en forma de calor, luz y otras radiaciones. Un LED es un ejemplo en el que parte de la energía potencial se convierte en luz. 44

45 Barrera de energía Es la barrera de potencial de un diodo. Los electrones necesitan energía suficiente para atravesar la unión. Una fuente de tensión externa que polarice en directa al diodo proporciona dicha energía. 45

46 El lado p de una unión pn tiene átomos trivalentes con una carga interna de +3. Esta parte interna atrae menos electrones que una parte interna con una carga de +5. Unión abrupta Ene ergía Banda de conducción Banda de valencia Lado-P Lado-N En una unión abrupta, las bandas del lado p tienen un nivel de energía ligeramente mayor. Los diodos reales presentan un cambio gradual de un material al otro. La únión abrupta es un concepto teórico. 46

47 Bandas de energía después de haberse formado la zona de deplexión. Energiá Barrera de energía Banda de conducción Banda de valencia Lado P Lado N A un electrón que tratara de difundirse a través de la unión, el camino que debe recorrer le parecerá una barrera de energía. Debe recibir la energía extra de una fuente externa. 47

48 Temperatura de la unión La temperatura de la unión es la temperatura interna del diodo, justo en la unión pn. Cuando un diodo está en conducción, su temperatura de la unión es mayor que la temperatura ambiente. Para temperaturas de la unión elevadas existe una barrera de potencial menor. La barrera de potencial disminuye 2 mv por cada grado Celsius de aumento. 48

49 Corrientes del diodo en inversa Se genera una corriente transitoria cuando la tensión inversa varía. I S, la corriente de saturación o de los portadores minoritarios, se duplica por cada incremento de temperatura de 10 grados Celsius. No es proporcional a la tensión inversa. La superficie de un cristal no tiene enlaces covalentes completos. Los huecos que resultan producen una corriente superficial de fugas que es directamente proporcional a la tensión inversa. 49