UNIDAD TEMÁTICA NO 1. DIODOS SEMICONDUCTORES Y APLICACIONES 1.1 FISICA DE LOS SEMICONDUCTORES, NIVELES DE ENERGÍA Y MATERIALES EXTRÍNSECOS.

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1 UNIDAD TEMÁTICA NO 1. DIODOS SEMICONDUCTORES Y APLICACIONES 1.1 FISICA DE LOS SEMICONDUCTORES, NIVELES DE ENERGÍA Y MATERIALES EXTRÍNSECOS. La palabra semiconductor se aplica normalmente a un rango de nivel entre dos límites. Los materiales se clasifican de acuerdo con la facilidad para permitir el flujo de carga o conductividad cuando una fuente de voltaje de magnitud limitada se aplica a sus terminales, así: conductores, cuando hay un gran flujo de carga; aislante o dieléctrico cuando ese flujo es nulo o casi nulo y semiconductor cuando el flujo de carga es mucho mayor al dieléctrico y mucho menor al de un conductor. La resistividad o resistencia al flujo de carga es una magnitud relacionada inversamente con la conductividad. Mientras mayor sea la conductividad del material menor será la resistividad del mismo. Se define la resistividad (ƿ) como la magnitud característica que mide la capacidad de un material para oponerse al flujo de una corriente eléctrica. También recibe el nombre de resistencia específica. Es la inversa de la conductividad eléctrica (σ). La resistividad se mide en ohmímetro. La resistividad eléctrica de un material viene dada por la expresión R S/l, donde R es la resistencia eléctrica del material, l la longitud y S la sección transversal. Entonces: En la tabla 1 se visualizan los valores de la resistividad en los diferentes clases de materiales Tabla 1. Valores representativos de la resistividad Conductor Semiconductor Dieléctrico p=10-6q-m. Cobre ρ 50 Ω- cm. Germanio ρ 1012 Ω- cm. Mica ρ 50 * 103 Ω- cm. Silicio Fuente: Nos centraremos en los semiconductores advirtiendo que el germanio (Ge) y el silicio (Si) no son los únicos dos materiales semiconductores, pero ellos son los que más se han trabajado en el desarrollo de dispositivos semiconductores. Pues estos materiales poseen una consideración especial, se pueden fabricar con un alto nivel de pureza. Se ha logrado una razón de una parte de impureza en diez mil millones

2 de partes de material (1: ). Esto es fundamental, porque si los niveles de impurezas son mayores se puede pasar de un material semiconductor a uno conductor. La otra razón importante para que el silicio y el germanio sean tenidos en cuenta en la fabricación de semiconductores está en la habilidad para transformar significativamente las características del material en un proceso llamado dopaje. Además, pueden ser modificados por otros métodos como la aplicación de luz o de calor. El silicio y el germanio tienen una estructura atómica bien definida que por naturaleza es periódica, es decir, que se repite continuamente. El patrón completo se denomina cristal y el arreglo periódico se denomina red. En un cristal puro de germanio o de silicio, los átomos están unidos entre sí en disposición periódica, formando una rejilla cúbica tipo diamante perfectamente regular. Cada átomo del cristal tiene cuatro electrones de valencia, cada uno de los cuales interactúa con el electrón del átomo vecino formando un enlace covalente. Al no tener los electrones libertad de movimiento, a bajas temperaturas y en estado cristalino puro, el material actúa como un aislante. Pero es posible que estos electrones adquieran suficiente energía cinética de origen natural para romper el enlace y asumir el estado de libre. El término libre manifiesta que su movimiento será muy sensible a la aplicación de potenciales eléctricos. Las causas naturales incluyen efectos como la energía luminosa en forma de fotones o energía térmica que proviene del entorno. El silicio tiene alrededor de 1,5 X 1010 portadores libres en un centímetro cuadrado de material intrínseco de silicio. Los electrones libres generados por causas naturales se denominan portadores intrínsecos. Los cristales de germanio o de silicio contienen pequeñas cantidades de impurezas que conducen la electricidad, incluso a bajas temperaturas. Las impurezas tienen dos efectos dentro del cristal. Las impurezas de fósforo, antimonio o arsénico se denominan impurezas donantes porque aportan un exceso de electrones. Este grupo de elementos tiene cinco electrones de valencia, de los cuales sólo cuatro establecen enlaces con los átomos de germanio o silicio. Por lo tanto, cuando se aplica un campo eléctrico, los electrones restantes de las impurezas donantes quedan libres para desplazarse a través del material cristalino. Por el contrario, las impurezas de galio y de indio disponen de sólo tres electrones de valencia, es decir, les falta uno para completar la estructura de enlaces interatómicos con el cristal. Estas impurezas se conocen como impurezas receptoras, porque aceptan electrones de átomos vecinos. A su vez, las deficiencias resultantes, o huecos, en la estructura de los átomos vecinos se rellenan con otros electrones y así sucesivamente.

3 Mientras más distante se encuentre un electrón del núcleo, mayor será su estado de energía. La región prohibida se encuentra entre la banda de valencia y la banda de ionización. Donde ionización es el mecanismo por medio del cual un electrón puede absorber energía suficiente para escapar de la estructura atómica e ingresar a la banda de conducción. Aparece el término de electrón volts. El cuál es la medida con la cual se mide la energía asociada a cada electrón. Se define la energía como el producto entre voltaje y carga asociada a cada electrón y está dada en electrón voltios (ev). En la figura No. 2 se visualizan las bandas de conducción y de valencia para las diferentes clases de materiales Fuente: Si sustituimos la carga de un electrón y una diferencia de potencial de 1 voltio en ese producto, obtendremos como resultado un nivel de energía referido como un electrón voltio. La energía se expresa también en joules y la carga de un electrón en 1,6 X coulomb, entonces: W= QV = (1,6 X C) * (1 V) (1.3) 1 Ev = 1,6 X J (1.4) Cuando la temperatura es de 0 K o cero absolutos (-273,15 C), todos los electrones de valencia de un material semiconductor estarán ligados a la estructura atómica. Pero si la temperatura llegase a 300 K o 25 C, un número alto de electrones de valencia habrán adquirido la suficiente energía para abandonar la banda de valencia, cruzar la banda de energía vacía definida por Eg e ingresar a la banda de conducción. En la figura 2 se establece una tabla para diferentes materiales semiconductores y el valor de Eg. Es evidente que a temperaturas ambiente existirán portadores libres, más que suficiente para mantener un flujo constante de carga o corriente. Entre los semiconductores comunes se encuentran elementos químicos y compuestos, como el silicio, el germanio, el selenio, el arseniuro de galio, el

4 seleniuro de zinc y el telururo de plomo. El incremento de la conductividad provocado por los cambios de temperatura, la luz o las impurezas se debe al aumento del número de electrones conductores que transportan la corriente eléctrica. En un semiconductor característico o puro como el silicio, los electrones de valencia (o electrones exteriores) de un átomo están emparejados y son compartidos por otros átomos para formar un enlace covalente que mantiene al cristal unido. Estos electrones de valencia no están libres para transportar corriente eléctrica. Para producir electrones de conducción, se utiliza la luz o la temperatura, que excita los electrones de valencia y provoca su liberación de los enlaces, de manera que pueden transmitir la corriente. Las deficiencias o huecos que quedan contribuyen al flujo de la electricidad (se dice que estos huecos transportan carga positiva). Éste es el origen físico del incremento de la conductividad eléctrica de los semiconductores a causa de la temperatura Clases de materiales semiconductores Material intrínseco: material semiconductor refinado para reducir sus impurezas a un nivel tan bajo que sea esencialmente puro (tecnología moderna). Material extrínseco: material semiconductor que ha sido sujeto a un dopado, con la finalidad de alterar sus características eléctricas mediante la adición de átomos de impurezas. Clases de materiales extrínsecos: tipo n y tipo p Material tipo n: se forman añadiendo elementos de impureza con cinco electrones de valencia (pentavalentes) como arsénico (As), antimonio (Sb) y fósforo (P). Ejemplo: Figura No.3 Impureza de antimonio Fuente:

5 A las impurezas difundidas con cinco electrones de valencia se les llama átomos donadores. El agregado de impurezas no hace que el átomo pierda su neutralidad, aunque existan un gran número de portadores libres (electrones), # de electrones = # de protones en las órbitas del átomo. Ahora, los electrones libres pasan de la banda de valencia a la banda de conducción con menor dificultad a temperatura ambiente, dando como resultado un gran número de portadores (electrones) en el nivel de conducción y aumentando la conductividad del material de forma significante. Material tipo p: se forma añadiendo elementos de impureza con tres electrones de valencia; como el boro (B), galio (Ga) e indio (In). Ejemplo: Figura No. 4: impureza del boro Fuente: A las impurezas difundidas con tres electrones de valencia se les conoce como átomos aceptadores. El agregado de impurezas no hace que el átomo pierda su neutralidad, aunque exista un gran número de portadores libres (huecos), # de electrones = # de protones en las órbitas del átomo. En un material tipo n al electrón se le llama portador mayoritario y el hueco es el portador minoritario. En un material tipo p al hueco se le llama portador mayoritario y el electrón es el portador minoritario. La corriente convencional está establecida por el movimiento de huecos. Una unión pn está formada por la aleación metálica de un material semiconductor tipo p y n. Una unión pn se convierte en diodo, agregando contactos óhmicos que permiten que la unión quede conectada a otros elementos del circuito. Es decir un diodo semiconductor está formado por materiales tipo p y tipo n así:

6 Símbolo eléctrico Fuente: 1.2 APROXIMACIONES DE LOS DIODOS SEMICONDUCTORES Primera Aproximación (el diodo ideal) La exponencial se aproxima a una vertical y una horizontal que pasan por el origen de coordenadas. Este diodo ideal no existe en la realidad, no se puede fabricar por eso es ideal. Figura No. 5 Curva característica del diodo ideal Fuente: Polarización directa: En polarización directa el diodo ideal actúa como un interruptor cerrado, es decir se visualiza como un corto circuito.

7 Figura No.6. Diodo ideal en polarización directa Fuente: Fuente: Polarización inversa: en polarización inversa el diodo ideal actúa como un interruptor abierto, es decir se visualiza como un circuito abierto. Figura No. 7 diodo ideal en polarización inversa Fuente: EJEMPLO: en el siguiente circuito hallar la corriente del circuito y el voltaje en la resistencia de carga usando la primera aproximación del diodo semiconductor Figura No. 8

8 En polarización directa: Fuente: Segunda Aproximación Fuente: Fuente: La exponencial se aproxima a una vertical y a una horizontal que pasan por 0,7 V (este valor es el valor del voltaje de umbral para el silicio y para el germanio se toma el valor de 0,3 V como voltaje de umbral). Figura No. 9. Curva característica del diodo de silicio en su segunda aproximación

9 Fuente: Fuente: Hasta que el diodo de silicio llegue a su voltaje de umbral ( 0.7v) hay corriente de conducción, antes de esto, el diodo está abierto y su corriente de conducción es de 0A. Polarización directa: en polarización directa el diodo de silicio actúa como una fuente de voltaje de 0,7 V. Figura No. 10 Fuente: Fuente: Polarización inversa: en polarización inversa el diodo de silicio actúa como un interruptor abierto. Figura No. 11

10 Fuente: Fuente: EJEMPLO: Resolver el mismo circuito anterior pero utilizando la segunda aproximación que se ha visto ahora. Como en el caso anterior se analiza en polarización directa: Figura No Tercera Aproximación Fuente: Fuente: La curva del diodo se aproxima a una recta que pasa por 0,7 V y tiene una pendiente cuyo valor es la inversa de la resistencia interna. Figura No. 13. Curva característica del diodo semiconductor en su tercera aproximación

11 En polarización directa: Fuente: Figura No. 14 Fuente: EJEMPLO: En el ejemplo anterior usando la 3ª aproximación, se toma 0,23 Ω como valor de la resistencia interna. Figura No. 15

12 Fuente: Figura No. 16 Curva característica de cualquier diodo semiconductor ( diodo 1N4001, diodo led, diodo zener) Vu Tensión umbral Vs Tensión de saturación Vr Tensión de ruptura OA Zona de baja polarización directa, pequeña corriente AB Zona de conducción OC Corriente inversa de saturación Fuente:

13 1.3 APLICACIONES DE LOS DIODOS SEMICONDUCTORES Circuitos Recortadores de Voltaje Los circuitos recortadores se utilizan para eliminar parte de una forma de onda que se encuentre por encima o por debajo de algún nivel de referencia. También se conocen como limitadores, selectores de amplitud o rebanadores Circuitos Recortadores de voltaje sin polarizar Serie: en este circuito el diodo semiconductor está en serie con la salida. Figura No. 17. Circuito recortador serie sin polarizar Fuente: Principios de Electrónica. Boylestad. Décima edición, pag 77 Paralelo: en este circuito el diodo está en paralelo con la salida Figura No. 18 Circuito recortador paralelo sin polarizar

14 E Fuente: Principios de Electrónica. Boylestad. Décima edición, pág Circuitos Recortadores polarizados Serie: este circuito usa la fuente de voltaje DC para darle un recorte diferente de cero a la señal de salida. La fuente de DC debe tener un valor mucho menor que la fuente de alimentación de alterna. Figura No. 19 Circuitos recortadores serie polarizados V<< Vi Fuente: Principios de Electrónica. Boylestad. Décima edición, pág. 107 Paralelo Figura No. 20. Circuito recortador polarizado paralelo

15 V<< Vi Fuente: Principios de Electrónica. Boylestad. Décima edición, pág Circuitos Sujetadores o fijadores de nivel Un circuito sujetador añade un nivel de DC al voltaje de AC. Hay dos tipos de sujetadores, los de nivel positivo y los de nivel negativo. Sujetador o cambiador de nivel positivo Figura No. 21. Circuito sujetador de nivel positivo Fuente:

16 Durante los semiciclos negativos el diodo esta polarizado en directa permitiendo que el capacitor C se cargué aproximadamente a VP 0.7V donde VP es el voltaje pico de la señal de entrada. Después del pico negativo el diodo queda polarizado en inversa y esto es porque la carga positiva adquirida por el condensador bloquea al cátodo del diodo y busca descargarse a través de R. La idea es que el capacitor no se descargue totalmente cuando el diodo esta en inversa para así mantener una corriente continua aproximada a VP 0.7V que por superposición cambie el nivel DC de la señal de entrada. Para calcular la constante de tiempo de carga y descarga del condensador se emplea la fórmula: T= R C Una regla práctica de diseño es hacer que la constante de tiempo RC sea 10 veces el valor del periodo de la señal de entrada. Sujetador o limitador de nivel negativo Si se invierta la polaridad del diodo y la del capacitor obtenemos un Sujetador de nivel negativo. Figura 22. Circuito sujetador de nivel negativo Fuente: Los circuitos Sujetadores son frecuentemente utilizados en receptores de televisión como restauradores del nivel DC de señales de video Circuito rectificador de media onda Este circuito puede ser cualquier circuito recortador sea serie o paralelo, polarizado o sin polarizar cuya señal de salida está compuesta por una componente AC y una componente DC, es decir: Figura No. 23 Circuito rectificador de media onda

17 Fuente: Principios de Electrónica. Boylestad. Décima edición, pág. 77 Vdc = vp Vac = vp T = ms F = 60Hz componente DC del voltaje de salida componente AC del voltaje de salida periodo señal rectificada Frecuencia de la señal rectificada El proceso de eliminar la señal de entrada de media onda para establecer un nivel de DC se llama rectificación de media onda. PIV (PRV) (voltaje de pico inverso) La capacidad de voltaje de pico inverso (PIV) o PRV (voltaje reverso pico) del diodo es de primordial importancia en el diseño de sistemas de rectificación. El valor nominal de PIV requerido para el rectificador de media onda se determina con la figura No. 24, la cual muestra el diodo polarizado en inversa con un voltaje máximo aplicado. Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff,

18 que el valor nominal de PIV del diodo debe ser igual a o exceder el valor pico del voltaje aplicado. Por consiguiente: Figura No. 24 PIV circuito rectificador media onda Análisis matemático: por LVK se tiene: Vm + Vo + PIV = 0, pero Vo = 0v Entonces: PIV = Vm Fuente: Principios de Electrónica. Boylestad. Décima edición, pág Rectificador onda completa El nivel de cd obtenido a partir de una entrada senoidal se puede mejorar al 100% mediante un proceso llamado rectificación de onda completa cuyo circuito más usado para tal fin es el denominado puente de cuatro diodos Rectificador onda completa con puente de cuatro diodos Figura No. 25 circuito rectificador de onda completa con puente de cuatro diodos

19 Fuente: Principios de Electrónica. Boylestad. Décima edición, pág. 80

20 La señal de salida con rectificación de onda completa está compuesta por una componente DC y una componente AC, así: Vdc = vp Vac = vp, Además el periodo y la frecuencia en una señal con rectificación onda completa está dada por: Periodo (T) = 8.33mseg Frecuencia (F) = 120Hz PIV: El PIV requerido de cada diodo (ideal) se determina en la figura No. 26 obtenida en el pico de la región positiva. Para el lazo indicado el voltaje máximo a través de R es Vm y el valor nominal del PIV está definido por: PIV Vm Figura No. 26. PIV circuito rectificador onda completa con puente de 4 diodos Análisis matemático: por LVK se tiene que: - PIV + Vm = 0 Entonces: PIV = Vm Rectificador onda completa con Tab central Figura No. 27 Circuito rectificador onda completa con tab central

21 Fuente: Principios de Electrónica. Boylestad. Décima edición, pág. 81 PIV: en la red de la figura No. 28 se determina el PIV neto para cada diodo de este rectificador de onda completa. Insertando el valor máximo del voltaje secundario y Vm como se establece en la malla adjunta el resultado es: PIV = Voltaje del secundario + VR Figura No. 28 Gráfica PIV circuito rectificador onda completa con tab central

22 PIV = Vm + Vm PIV = 2Vm Fuente: Principios de Electrónica. Boylestad. Décima edición, pág Circuitos Multiplicadores de voltaje Un circuito multiplicador aumenta los valores de voltaje sin necesidad de cambiar el transformador de la fuente principal. Multiplicando por 2, 3 y 4 el valor de voltaje a su entrada. El principio de operación de estos circuitos es la carga sucesiva de condensadores debido a la habilitación en cascada de diodos. Estos circuitos se implementan cuando hay cargas que necesitan una tensión muy alta y que absorben una corriente pequeña. Una aplicación común se da en los circuitos que elevan el voltaje para alimentar el Tubo de rayos catódicos de Televisores, Monitores y Osciloscopios. Existen varios tipos de multiplicadores de tensión: El Doblador de voltaje de media onda El Triplicador El Cuadriplicador El Doblador de tensión de onda completa Circuito Doblador de voltaje de media onda Un doblador de voltaje de media onda es la combinación de un rectificador de media onda con un multiplicador de voltaje con factor de multiplicación 2.

23 Figura No. 29 Circuito doblador de media onda Fuente: El circuito funciona de la siguiente manera: Durante el semiciclo positivo el diodo D1 está polarizado en directa y el diodo D2 está polarizado en inversa y el condensador C1 se carga aproximadamente al valor pico del voltaje en la entrada menos la caída de voltaje del diodo (VP 0.7V). Durante el semiciclo negativo el diodo D2 está polarizado en directa y el diodo D1 está polarizado en inversa. En este punto el voltaje almacenado en C1 se suma al voltaje de entrada cargando el condensador C2 a (2VP). D2 rectifica a media onda y C2 filtra la onda pulsante, el resultado es una salida de corriente continua de voltaje aproximadamente el doble de la entrada (2VP). Demostración por ley de Kirchhoff: VC1 VC2 + VP = 0 VC1 = VP 0.7V VC2 = VP + VC1 Despreciando la caída del diodo de: Circuito Triplicador de voltaje VC2 = VP + VP = 2VP Figura No. 30 Circuito Triplicador de voltaje

24 El circuito funciona de la siguiente manera: Durante el semiciclo positivo el diodo D1 está polarizado en directa y el condensador C1 se carga aproximadamente al valor pico del voltaje en la entrada. Durante el semiciclo negativo el diodo D2 está polarizado en directa. En este punto el voltaje almacenado en C1 se suma al voltaje de entrada cargando el condensador C2 a (2VP). La descarga de C2 carga C3 mientras D3 esta polarizado en directa. La salida del circuito es aproximadamente 3VP Circuito Cuadriplicador de voltaje Figura No. 31 Circuito Cuadriplicador de voltaje Si a un circuito Triplicador se le agrega un Diodo y un Condensador adicional en cascada se obtiene un circuito cuadriplicador de voltaje que multiplica por 4 el valor del voltaje de entrada. En este caso C4 se carga durante el semiciclo negativo a través de D4; la salida del voltaje cuadriplicado se toma en los extremos de C2 y C4.

25 Circuito Doblador de tensión de onda completa Figura No. 32 Circuito Doblador de tensión de onda completa El circuito funciona de la siguiente manera: Durante los semiciclos positivos D1 esta polarizado en directa y C1 se carga aproximadamente al valor de VP, luego durante los semiciclos negativos D2 esta polarizado en directa y C2 se carga aproximadamente también al valor de VP; la salida se toma de un extremo de C1 y C2 y el voltaje resultante es 2VP.