TEMA 2. DISPOSITIVOS. María Jesús Martín Martínez : 1. IEEE 125 Aniversary:

Transcripción

1 IEEE 125 Aniversary: 1

2 2. Diodo de Unión n (Uni( Unión P-N). 3. Transistor Bipolar de Unión n (BJT). ees.wikispaces.com 4. Transistor de Efecto de Campo Metal-Oxido Oxido- Semiconductor (MOSFET). 5. Diodo emisor de luz (LED). 6. Ejercicios propuestos upload.wikimedia.org erenovable.com 2

3 2.2. DIODO DE UNIÓN 2. El diodo de unión: Es el dispositivo más sencillo y básico. Consiste en un semiconductor con impurificación no homogénea: Un lado dopado con impurezas aceptadoras (Tipo P). En el otro son impurezas donadoras (Tipo N). Tiene dos terminales externos (dos metales): Ánodo (conectado a la región P) Cátodo (conectado a la región N) Generalmente el cátodo se conecta a tierra, y se aplica al ánodo una tensión V Si la tensión aplicada entre terminales V=0 La unión está en equilibrio. Si la tensión aplicada entre terminales es diferente de cero Diodo polarizado Si la tensión V>0 Polarización directa Si la tensión V>0 Polarización inversa 3

4 2.2. DIODO DE UNIÓN 2.a. La unión PN en equilibrio (V=0) En el SC tipo P existen muchos huecos y pocos electrones, y en el SC tipo N hay muchos electrones y muy pocos huecos. A temperatura ambiente, los huecos de la zona p pasan por difusión hacia la zona n y los e- de la zona n pasan a la zona p. La difusión crea un exceso de carga negativa (electrones) en el lado P y exceso de carga positiva (huecos) en el lado N. en.wikipedia.org/wiki/p-n_junction Debido a estos excesos de carga se crea, un campo eléctrico que produce corrientes de desplazamiento, que compensan a las de difusión Dando lugar a corriente total nula. En equilibrio I = I n + I p =0 4

5 2.a. La unión PN en equilibrio (V=0) 2.2. DIODO DE UNIÓN en.wikipedia.org/wiki/p-n_junction 5

6 2.2. DIODO DE UNIÓN 2.b. La unión PN polarizada (V 0) En polarización Directa: El potencial aplicado externo se opone al campo eléctrico que limita la difusión Disminuye el efecto del arrastre) y aumenta la difusión de portadores. De electrones del lado N al P De huecos del lado P al N El resultado es una corriente neta elevada de portadores mayoritarios hacia donde son minoritarios. V > 0 P N I En polarización Inversa: El potencial externo refuerza el campo eléctrico de arrastre. Las componentes de difusión son nulas. Aumentan las componentes de arrastre (trasladan los minoritarios): son corrientes muy pequeñas que puede considerarse despreciables. V < 0 P N x I=0 6

7 2.b. La unión PN polarizada (V 0) Directa 2.2. DIODO DE UNIÓN Inversa ees.wikispaces.com ees.wikispaces.com Explicación interactiva del funcionamiento del diodo 7

8 2.2. DIODO DE UNIÓN 2.b. Unión PN polarizada. Curva Caracteristica (I-V) Analíticamente se puede encontrar una relación entre la corriente que circula por el mismo y la tensión externa que se aplica: I V ev VT KBT = I0 e 1 = I0 e 1 kbt V T = q e V T (300 K) = mv k B (Cte de Boltzmann) = JK -1 V T : denominado potencial térmico I 0 : Corriente inversa de saturación (pocos na) En polarización directa: V>0 podemos admitir que la exponencial es muy superior al 1 I Curva analítica I = I0 e ev K B T En polarización inversa: V<0 podemos despreciar la exponencial frente al 1. I = I 0 I 0 Inversa Directa Característica estática (I-V) del diodo V 8

9 2.2. DIODO DE UNIÓN 2.b. Unión PN polarizada. Curva Caracteristica (I-V) La característica I-V de un diodo real es ligeramente diferente: La corriente en inversa es prácticamente nula. I Curva REAL En directa existe un voltaje umbral Vγ, que es una polarización mínima que hay que aplicar para que la unión esté en directa Característica desplazada hacia la derecha. V R V γ V Para polarizaciones muy elevadas en inversa (inferiores a V R ) aparecen fenómenos de multiplicación de portadores la corriente se hace muy elevada Inversa Directa Característica REAL estática (I-V) del diodo 9

10 Influencia de la temperatura 2.2. DIODO DE UNIÓN 2.b. Unión PN polarizada. Curva Caracteristica (I-V) ees.wikispaces.com 10

11 2.2. DIODO DE UNIÓN 2.c. Comparativas de Curvas I-V de diodos reales i [ma] 1 Ge Si Ge: mejor en conducción Si: mejor en corte 30 i [ma] Ge Si V [Volt.] V [Volt.] i [µa] V [Volt.] i [pa] V [Volt.] Ge -0.8 Si

12 2.2. DIODO DE UNIÓN 2.d. Diodo Zener Si la tensión de polarización inversa V R en la que se produce el fenómeno de conducción por avalancha es pequeña (en módulo) hablamos del diodo Zener Para una tensión inversa dada, llamada tensión Zener, ésta se mantiene constante aunque la corriente varíe. V z Tensión Tensión Zener Zener I En polarización directa funciona como un diodo normal. V Su símbolo circuital: FFI-UPV.es 12

13 2.2.b Modelado DIODO DE UNIÓN I. Curva Caracteristica (I-V). Modelos 1ª aproximación: diodo ideal I En el modelo del diodo ideal se equipara éste a un cortocircuito o a un circuito abierto, según cómo esté conectado. V DIRECTA INVERSA R R I I I FFI-UPV.es FFI-UPV.es 13

14 2.2.b Modelado DIODO DE UNIÓN I. Curva Caracteristica (I-V). Modelos 2ª aproximación lineal Se considera que el diodo conduce sin resistencia por encima de la tensión umbral, y no conduce por debajo de la misma. Esto equivale a considerar un diodo como un interruptor o un diodo ideal en serie con un receptor. I V O = 0.3 V para el diodo de Ge V O = 0.7 V para el de Si. DIRECTA VO V V f = 6V R=1kΩ I V f = 6V R=1kΩ I V O =0.7 V I = V f V R O = k = 5.3mA FFI-UPV.es 14

15 2.2.b Modelado DIODO DE UNIÓN I. Curva Caracteristica (I-V). Modelos 3ª aproximación lineal La 3ª aproximación es un diodo ideal con una resistencia en serie y una fuente de tensión. V f = 6V DIRECTA R=1kΩ I R=1kΩ I (ma) I (ma) 0,15 0,15 0,05 0,05-0,05-0,05 V = V o + IR d R d = V/ I I o I o 0,4 0,6 0,8 0,2 V O I V FFI-UPV.es V f (V) V (V) V f = 6V I R d = 500 Ω V O =0.7 V I = V f V R O = = 3.5mA 15

16 2.2.b Modelado DIODO DE UNIÓN I. Curva Caracteristica (I-V). Modelos I I Ideal Solo tensión de codo Ge = 0.3 Si = 0.6 V V I Tensión de codo y Resistencia directa I Curva real (simuladores, análisis gráfico) V V 16

17 2.2. DIODO DE UNIÓN Ejercicios propuestos. D. Pardo, et al

18 2.2. DIODO DE UNIÓN Ejercicios propuestos. D. Pardo, et al

19 2.2. DIODO DE UNIÓN Ejercicios propuestos. D. Pardo, et al

20 2.2.b DIODO DE UNIÓN 2.e. PRACTICA Nº 1. Laboratorio U E Rectificador de media onda Baja frecuencia V D V R =i s.r i S i S U E + R V R Vi S D V R =i s.r I Visualización de la característica I-V de un diodo real V R V γ Curva REAL V V D 20

21 2.3. TRANSISTOR BIPOLAR DE UNIÓN N (BJT) 3. El transistor bipolar de unión: a. Introducción Los transistores son: Dispositivos de tres terminales La corriente o la tensión en un terminal (terminal de entrada) Controla el flujo de la corriente entre los otros dos terminales. ees.wikispaces.com 21

22 2.3. TRANSISTOR BIPOLAR DE UNIÓN N (BJT) 3. El transistor bipolar de unión: Emisor Colector Base bellsystemmemorial.com bellsystemmemorial.com 22

23 2.3. TRANSISTOR BIPOLAR DE UNIÓN N (BJT) 3. El transistor bipolar de unión: b. Tipos de transistores bipolares Emisor Base Colector Emisor P N P Colector Base Emisor Base Colector Emisor N P N Colector Base poco dopada Emisor más m s dopado que colector Base 23

24 2.3. TRANSISTOR BIPOLAR DE UNIÓN N (BJT) c. Tensiones y corrientes Las corrientes entre terminales dependen de las tensiones que se apliquen. Para un transistor NPN y tomando el terminal de emisor como referencia de tensión (el más usual): C I C V BE = V B V E V CE = V C - V E I B B V CE C Aplicando la ley de Kirchoff (corrientes que entran = corrientes que salen): V BE E I E E I E = I B + I C Se puede calcular la relación entre las corrientes de colector y de base: β F : factor de ganancia en corriente I C β β = F IB + (1 + F) IC0 β F I B β F : en transistores comerciales Indica que la corriente de colector es proporcional a la de base 24

25 2.3. TRANSISTOR BIPOLAR DE UNIÓN N (BJT) c. Características de salida de un transistor NPN La representación gráfica de la ecuación anterior: I C ( ma) 1 I B = 80 µa 2 I B = 60 µa 4 1 Región de saturación 2 Región activa I B = 40 µa 3 Región de corte I B = 20 µa 4 Ruptura I C = ( 1+ βf) IC0 3 V CE (V) I B = 0 µa FFI-UPV.es 25

26 2.3. TRANSISTOR BIPOLAR DE UNIÓN N (BJT) d. Línea de carga: Cálculo del punto de operación Si un transistor trabaja dentro de un circuito Se dice que el transistor está polarizado. El conjunto de fuentes de tensión y resistencias se le denomina RED DE POLARIZACIÓN Para resolverlo, se deben cumplir: Las características de salida Las ecuaciones de las mallas del circuito en que se encuentre: V BE 0,7 V R B =16 kω R C =1 kω β = 100 V BB = V BE + I B R B I B V = BB V R B BE 2 0,7 = = 81,25 µ A I C V BB = 2 V I c = βi B = 8,125 ma I B V BE V CE V CC =10 V V CC =V CE + I C R C Línea de carga V CE = V CC - I C R C = 10-8,125 = 1,875 V FFI-UPV.es 26

27 2.3. TRANSISTOR BIPOLAR DE UNIÓN N (BJT) d. Línea de carga: Cálculo del punto de operación (II) V R CC C Punto de Operación Estacionario: I C Q Q FFI-UPV.es I B2 I B1 I B4 I B3 línea de carga Q VCC = 10 V V CE I c = 8,125 ma I B =81,25 µ A V CE = 1,875 V V BB (V) V CE (V) I c (ma) I B (µa) 0, ,8 9,375 0,625 6,25 0,9 8,75 1,25 12,5 1 8,125 1,875 18,75 1,2 6,875 3,125 31,25 1,4 5,625 4,375 43,75 1,6 4,375 5,625 56,25 1,8 3,125 6,875 68,75 2 1,875 8,125 81,25 2,2 0,625 9,375 93,75 Corte Región activa 2, Saturación 27

28 2.3. TRANSISTOR BIPOLAR DE UNIÓN N (BJT) d. Línea de carga: Cálculo del punto de operación (III) Ejercicio 4. D. Pardo, et al

29 2.3. TRANSISTOR BIPOLAR DE UNIÓN N (BJT) d. Línea de carga: Cálculo del punto de operación (III) Ejercicio 6. D. Pardo, et al

30 2.3. TRANSISTOR BIPOLAR DE UNIÓN N (BJT) d. Línea de carga: Cálculo del punto de operación (III) Ejercicio 7. D. Pardo, et al

31 2.3. TRANSISTOR BIPOLAR DE UNIÓN N (BJT) e. BJT en aplicaciones analógicas: Amplificador. Para variaciones sobre el POE (amplificación de señales variables en el tiempo) debemos tener en cuenta: Que entre base y emisor tenemos una unión en directa. En colector las variaciones de corriente son proporcionales a la corriente de base. El conjunto de fuentes de tensión y resistencias se le denomina RED DE POLARIZACIÓN Cuando usemos el BJT en un circuito como amplificador sustituiremos su símbolo por un circuito equivalente y el análisis resultará muy sencillo. Sedra/Smith 2004 I C (t) V CC Circuito equivalente de pequeña señal: R B C B R C v i (t) I B (t) V CE (t) V BE (t) E (t) v i RB B v be i b + r π E C i c RC β i F b V BB rπ y β (ganancia) son los parámetros del circuito. 31

32 2.3. TRANSISTOR BIPOLAR DE UNIÓN N (BJT) d. Línea de carga: Cálculo del punto de operación (III) Ejercicio 5. D. Pardo, et al

33 2.4. TRANSISTOR MOSFET a. Estructura de un transistor MOSFET La corriente I D entre el contacto de fuente y el de drenador (la conductancia o resistencia del semiconductor), puede ser modulada: Mediante la variación de tensión en el electrodo de puerta. El electrodo de puerta está aislado eléctricamente del Silicio mediante un óxido (SiO 2 ). Transistor MOSFET de Canal N (NMOSFET) El transistor de efecto de campo se comporta como un interruptor controlado por tensión, donde el voltaje aplicado a la puerta permite hacer que fluya o no corriente entre drenador y fuente. 33

34 2.4. TRANSISTOR MOSFET b. Tipos de transistores MOSFET S G D Metal Óxido S G D Semiconductor n n p p p n Tipo N Metal Tipo P FFI-UPV.es Formado por una placa de metal y un semiconductor, separados por una zona de óxido del semiconductor - por ejemplo SiO 2 - de unos 100 nm de espesor. Dos regiones dopadas de dopaje contrario al semiconductor que forma el substrato. Posee tres electrodos: Puerta, gate en inglés, simbolizado con G; que se conecta a la placa metálica. La corriente en la puerta es nula siempre Fuente (Source) y drenador (Drain), ambos simétricos, que se internan en el sustrato. 34

35 2.4. TRANSISTOR MOSFET d. Modo de operación : tensión umbral Existe un potencial en la puerta mínimo que debe superarse para que la corriente de drenador sea distinta de cero: Característica de transferencia Por debajo del valor umbral (V GS <V T ) no hay carga en el canal No hay conducción no hay corriente. I D =0. Para valores de (V GS >V T ). Aparece la capa de inversión Es posible la conducción entre fuente y drenador V T =valor de en el que comienza a haber una corriente no nula de drenador. Valores típicos de V T : 0.3 to 0.8 volts. 35

36 2.4. TRANSISTOR MOSFET c. Transistor MOSFET: símbolo circuital Diferentes transistores MOSFET: signos de corriente en terminales, tensiones en terminales, etc. D. Pardo, et al

37 2.4. TRANSISTOR MOSFET d. Comparación de características de salida de BJT y MOSFET En la forma las características de los MOSFETs son análogas a las de los BJTs. Eje x Eje y BJT: tensión entre emisor y colector (V CE ) BJT: corriente de colector (I C ) MOSFET: tensión entre fuente y drenador (V DS ) MOSFET: corriente de drenador (I D ) Sin embargo, la diferencia está en el tercer terminal o terminal de control: BJT: controla la corriente de base MOSFET: controla la tensión de puerta. BJT MOSFET I C ( ma) 1 I B = 80 µa 2 I B = 60 µa 4 I B = 40 µa I B = 20 µa 3 V CE (V) I B = 0 µa FFI-UPV.es 37

38 2.4. TRANSISTOR MOSFET e. Cálculo del Punto de Operación Estacionario (POE) Polarización. Análisis de la recta de carga. Igual que ocurre en el BJT, debemos polarizar el MOSFET para tener entre sus terminales unas diferencias de potencial y unas corrientes determinadas. Sedra/Smith 2004 laimbio08.escet.urjc.es/ 38

39 2.4. TRANSISTOR MOSFET d. Línea de carga: Cálculo del punto de operación (II) Ejercicio 8. D. Pardo, et al

40 2.4. TRANSISTOR MOSFET e. MOSFET en aplicaciones analógicas: Amplificador. Igual que en el caso del BJT, para variaciones sobre el POE (amplificación de señales variables en el tiempo) debemos tener en cuenta: Si aplicamos un incremento V GS en la tensión de puerta, provocará un incremento fijo en la corriente de drenador: I D. ID Podemos definir el parámetro TRANSCONDUCTANCIA: gm = V Cuando usemos el MOSFET en un circuito como amplificador sustituiremos su símbolo por un circuito equivalente y el análisis resultará muy sencillo. GS Sedra/Smith 2004 v i (t) V GG I D (t) D G V DD R D V DS (t) V GS (t) S Circuito equivalente de pequeña señal: (t) v i v GS G + S D i D g m v GS R D 40

41 2.5. DIODO LED a. Diodo emisor de luz: LED Como hemos estudiado, en una Unión P-N, en polarización Directa: Aumenta la difusión de portadores (desde donde son mayoritarios, hasta donde son minoritarios). En torno a la unión, aparecen unos excesos de portadores, que serán mayores cuanto más polarización en directa se aplique. V > 0 P N El exceso de portadores va a dar lugar PROCESOS DE RECOMBINACIÓN: Tiene lugar una radiación de los electrones (al pasar de la BC a la BV) que pasa al exterior como radiación : fotones de energía: hυ =GAP El color de la luz del LED lo marca el GAP del semiconductor. Este proceso se denomina Electroluminiscencia 41

42 a. Diodo emisor de luz: LED 2.5. DIODO LED Luego un LED es un dispositivo que consume energía eléctrica y nos devuelve energía electromagnética. Cuando hay suficiente voltaje en directa aplicado entre extremos de la unión fluye la corriente: Los electrones (y huecos) pasan de la región n (p) a la región p (n) por difusión El LED se asemeja a un diodo normal, pero con importantes diferencias: Un empaquetado transparente permitiendo que la energía (luz en el espectro del visible o el IR) pase a su través. Area de la unión P-N muy grande. 42

43 2.5. DIODO LED a. Diodo emisor de luz: LED Longitudes de onda de interés: Espectro electromagnético Imagen de dominio público 43

44 2.5. DIODO LED b. Color de la luz de un LED Para poder crear dispositivos en el rango del visible ha sido necesario fabricar semiconductores con gaps elevados. sensores y procesado visible comunicación IR térmico UV NIR MIR λ (µm) f = c λ GaP hν (ev) SiC GaAs Si Ge Eg (ev) ε = hυ 44

45 2.5. DIODO LED b. Color de la luz de un LED Para poder crear dispositivos en el rango del visible ha sido necesario fabricar semiconductores con gaps elevados. IR térmico

46 2.5. DIODO LED c. Aplicaciones de los LEDs Los diodos infrarrojos (IRED) se emplean desde mediados del siglo XX en mandos a distancia de televisores (hoy por hoy su uso se ha generalizado en general para aplicaciones de control remoto). Fuentes de luz para aplicaciones de comunicaciones de fibra óptica Los LEDs se emplean con profusión: Indicadores de estado (encendido/apagado) Dispositivos de señalización (de tránsito, de emergencia, etc.) Paneles informativos (uno de los mayores del mundo, del NASDAQ, 36,6 metros de altura y está en Times Square, Manhattan). 46

47 2.5. DIODO LED c. Aplicaciones de los LEDs Calculadoras Alumbrado de pantallas LCD de teléfonos móviles Agendas electrónicas, etc. Fotodetectores para lecturas de códigos de barras. Displays de 7 segmentos Display LEDs para aplicaciones numéricas y alfanuméricas (a): Aplicación numérica de 7 barras 47

48 2.5. DIODO LED d. LASER Semiconductor Si en vez de usar una unón p-n, se utiliza una estructura semiconductora de heterouniones, podemos crear un LASER. Cuando se inventó en 1960, se denominaron como "una solución buscando un problema a resolver". Desde entonces se han vuelto omnipresentes. Las propiedades más importantes: Corriente umbral Eficiencia Potencia Rapidez Monocromáticidad Estabilidad Fiabilidad 48

49 2.5. DIODO LED d. Aplicaciones del LASER El tamaño de los láseres varía ampliamente Diodos láser microscópicos Láser de cristales de neodimio (tamaño similar al de un campo de fútbol): investigación sobre armas nucleares u otros experimentos físicos con altas densidades de energía En bastantes aplicaciones, los beneficios de los láseres se deben a sus propiedades físicas: la coherencia la alta monocromaticidad la capacidad de alcanzar potencias extremadamente altas. Ejemplo: un haz láser altamente coherente puede ser enfocado a unos pocos nanómetros. Esta propiedad permite al láser: Grabar gigabytes de información en las microscópicas cavidades de un DVD o CD. También permite a un láser de media o baja potencia alcanzar intensidades muy altas y usarlo para cortar, quemar o incluso sublimar materiales. 49

50 2.5. DIODO LED d. Aplicaciones del LASER Se pueden encontrar en miles de variadas aplicaciones en cualquier sector de la sociedad actual: Industrial Sistemas de alineamiento o localización (posicionamiento) Detección de bordes y medida de distancias. Mecanizado, soldadura o sistemas de corte. Tratamientos de calor para endurecimiento o recocido de superficies en metalurgia o en chasis de automóviles. Aplicaciones de diodos láser de alta potencia 50

51 2.5. DIODO LED d. Aplicaciones del LASER Científico: Contadores de partículas, Dispersión de luz, Análisis químicos, Física atómica Médico: Métodos de diagnóstico, Análisis de sangre Posicionamiento de pacientes en sistemas de captación de imágenes médicas. Como instrumento de corte y cauterización o para realizar fotocoagulación. La electrónica de consumo Tecnologías de la información (informática) Artes gráficas: impresoras láser y equipos de oficinas

52 Referencias Pardo Collantes, Daniel; Bailón Vega, Luís A., Elementos de Electrónica.Universidad de Valladolid. Secretariado de Publicaciones e Intercambio Editorial sistors.jpg (Manuel Rico Secades, Javier Ribas Bueno). Area de tecnología electrónica. Universidad de Oviedo. Universidad de Oviedo. Area de tecnología Electrónica (ATE). Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica, de Computadores y de Sistemas. Area de Tecnologia Electrónica Jose Antonio Gómez Tejedor. Apuntes Fundamentos Físicos de la Informática (FFI). Universidad Politécnica de Valencia. 52

53 Referencias Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith. Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc Computer desktop encyclopedia