Semiconductores elementales:

Transcripción

1 El DIODO

2 Materiales semiconductores Semiconductores elementales: Germanio (Ge) y Silicio (Si) Son materiales de de conductividad intermedia entre la la de de los metales y la la de de los aislantes, que se se modifica en en gran medida por la la temperatura, la la excitación óptica y las impurezas.

3 Materiales semiconductores Estructura atómica del Carbono (6 electrones) 1s 2 2s 2 2p 2 Estructura atómica del Silicio (14 electrones) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 Estructura atómica del Germanio (32 electrones) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 2 4 electrones en la la última capa

4 Materiales semiconductores Reducción de la distancia interatómica del Carbono Energía 2p 2s 1s Distancia interatómica Diamante: Cúbico, transparente, duro y aislante Grafito: Hexagonal, negro, blando y conductor

5 Diagramas de bandas Diagrama de bandas del Carbono: diamante Energía 4 estados/átomo E g =6eV Banda de conducción Banda prohibida 4 electrones/átomo Banda de valencia A temperatura ambiente casi casi ningún electrón tiene esta esta energía para saltar a la la banda de de conducción y moverse por por ella. ella. Es Es un un aislante.

6 Diagramas de bandas Diagrama de bandas del Carbono: grafito Energía 4 estados/átomo 4 electrones/átomo Banda de conducción Banda de valencia No No hay hay banda prohibida. Los Los electrones de de la la banda de de valencia tienen la la misma energía que que los los estados vacíos de de la la banda de de conducción, por por lo lo que que pueden moverse generando corriente eléctrica. A temperatura ambiente es es un un buen conductor.

7 Diagramas de bandas Diagrama de bandas del Ge Energía 4 estados/átomo E g =0,67eV Banda de conducción Banda prohibida 4 electrones/átomo Banda de valencia A temperatura ambiente algunos electrones tienen energía suficiente para saltar a la la banda de de conducción y moverse por por ella ella generando corriente eléctrica. Es Es un un semiconductor.

8 Diagramas de bandas Banda de conducción E g Banda de valencia Aislante E g =510eV Banda de conducción E g Banda de valencia Semiconductor E g =0,52eV Banda de conducción Banda de valencia Conductor No hay E g A 0ºK, 0ºK, tanto los los aislantes como los los semiconductores no no conducen, ya ya que que ningún electrón tiene energía suficiente para pasar de de la la banda de de valencia a la la de de conducción. A 300ºK, algunos electrones de de los los semiconductores alcanzan este este nivel. Al Al aumentar la la temperatura aumenta la la conducción en en los los semiconductores (al (al contrario que que en en los los metales).

9 SEMICONDUCTORE INTRÍNSECO Representación plana del Germanio a 0º K Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge No hay enlaces covalentes rotos. Esto equivale a que los electrones de de la la banda de de valencia no no pueden saltar a la la banda de de conducción.

10 Situación del Ge a 300ºK Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Hay 1 enlace roto por cada 1, átomos. Un electrón libre y una carga por cada enlace roto.

11 Situación del Ge a 300º K Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Generación Recombinación Onda EM Siempre se se están rompiendo (generación) y reconstruyendo (recombinación) enlaces. La La vida media de de un un electrón puede ser del orden 100us

12 Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Aplicación de un campo externo El electrón libre se mueve por acción del campo. Y la carga?. El electrón libre se mueve por acción del campo. Y la carga?.

13 SEMICONDUCTORE INTRÍNSECO Todo lo comentado hasta ahora se refiere a los llamados Semiconductores Intrínsecos, en los que: No hay ninguna impureza en la red cristalina. Hay igual número de electrones que de huecos n = p = n i Ge: n i = portadores/cm 3 Si: n i = portadores/cm 3 AsGa: n i = portadores/cm 3 (a temperatura ambiente) Pueden modificarse estos valores? Puede desequilibrarse el el número de de electrones y de de huecos? La La respuesta son los Semiconductores Extrínsecos

14 Tiene 5 electrones en la última capa Semiconductores Extrínsecos Introducimos pequeñas cantidades de impurezas del grupo V Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge 2 Sb ºK A 0ºK, habría un un electrón adicional ligado al al átomo de desb

15 Semiconductores Extrínsecos Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge 2 Sb Sb ºK 5 0ºK 4 A 300ºK, 300ºK, todos todos electrones adicionales de de los los átomos de de Sb Sb están están desligados de de su su átomo átomo (pueden desplazarse y originar corriente eléctrica). El El Sb Sb es es un un donador y en en el el Ge Ge hay hay más más electrones que que huecos. Es Es un un semiconductor tipo tipo N. N. 5

16 Semiconductores Extrínsecos Interpretación en diagrama de bandas de un semiconductor extrínseco Tipo N Energía 34 est./atm. 10 electr./atm. E Sb =0,039eV 300ºK 0ºK E g =0,67eV 4 electr./atm. El El Sb Sb genera un un estado permitido en en la la banda prohibida, muy muy cerca de de la la banda de de conducción. La La energía necesaria para alcanzar la la banda de de conducción se se consigue a la la temperatura ambiente.

17 Introducimos pequeñas cantidades de impurezas del grupo III Tiene 3 electrones en la última capa Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge 2 Al 3 Semiconductores Extrínsecos 1 0ºK A 0ºK, habría una falta de electrón > HUECO

18 Semiconductores Extrínsecos Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge 2 Al (extra) 300ºK 0ºK El El Al Al es es un un aceptador y en en el el Ge hay más huecos que electrones. Es Es un un semiconductor tipo P. P.

19 Semiconductores Extrínsecos Interpretación en diagrama de bandas de un semiconductor extrínseco Tipo P Energía 4 est./atom. E Al =0,067eV 43 electr./atom. 01 huecos/atom. hueco/atom. 0ºK 300ºK E g =0,67eV El El Al Al genera un un estado permitido en en la la banda prohibida, muy muy cerca de de la la banda de de valencia. La La energía necesaria para que que un un electrón alcance este este estado permitido se se consigue a la la temperatura ambiente, generando un un hueco en en la la banda de de valencia.

20 Resumen Semiconductores intrínsecos: Igual número de huecos y de electrones Semiconductores extrínsecos: Tipo P: Más huecos (mayoritarios) que electrones (minoritarios) Impurezas del grupo III (aceptador) Todos los átomos de aceptador ionizados. Tipo N: Más electrones (mayoritarios) que huecos (minoritarios) Impurezas del grupo V (donador) Todos los átomos de donador ionizados.

21 Unión PN Germanio tipo P Germanio tipo N Al Al Al Al Al Al Al Al Sb Sb Sb Sb Sb Sb Sb Sb Ambos son son neutros Compensación de de Barrera que impide la difusión cargas e iones Qué pasaría si si no existiera la la barrera que impide la la difusión? ATEUO PN 02

22 Unión PN Germanio tipo P Germanio tipo N Al Al Al Al Al Al Al Al Sb Sb Sb Sb Sb Sb Sb Sb Se produce difusión de huecos de la zona P hacia la zona N y de electrones de la zona N hacia la zona P. Se va a producir una difusión completa de huecos y electrones?

23 Unión PN Se va a producir una difusión completa de huecos y electrones? Germanio antes tipo P Germanio antes tipo N Al Al Al Al Al Al Zona P no neutra, sino cargada negativamente Al Al Sb Sb Sb Sb Sb Sb Sb Sb Zona N no neutra, sino cargada positivamente Es esta situación la la situación final? NO

24 Unión PN Germanio tipo P Germanio tipo N Al Al Al Al Al Al Al Al Sb Sb Sb Sb Sb Sb Sb Sb Aparece un campo eléctrico en la la zona de contacto (unión metalúrgica) de las zonas Ε

25 Unión PN Germanio tipo P Germanio tipo N Al Al Al Al Sb Sb Sb Sb Al Al Al Al Ε Por campo eléctrico Por difusión Sb Sb Sb Sb El El campo eléctrico limita el el proceso de de difusión

26 Zonas de la unión PN Al Al Al Al Al Al Al Al Sb Sb Sb Sb Sb Sb Sb Sb Zona P NEUTRA (huecos compensados con iones ) Ε Zona N NEUTRA (electrones compensados con iones ) Zona de Transición Existe carga espacial y no no existen casi portadores de de carga

27 Zonas de la unión PN Unión Unión metalúrgica metalúrgica Zona P (neutra) Zona N (neutra) Muchos Muchos huecos, huecos, pero pero neutra neutra Ε Muchos Muchos electrones, electrones, pero pero neutra neutra V O Zona de Transición (no neutra) Existe carga espacial (que genera campo eléctrico, Ε, Ε, y diferencia de de potencial eléctrico, V O ) ) y no no existen casi portadores de de carga.

28 Polarización inversa Baja resistividad: V P =0 Baja resistividad: V N =0 P V U N i O 0 V El campo eléctrico impide la difusión de mayoritarios La zona de transición crece haciendose menos conductora La corriente circulante I O se debe a portadores minoritarios I O depende mucho de la temperatura (se duplica con cada incremento de 10ºC)

29 Polarización directa Baja resistividad: V P =0 Baja resistividad: V N =0 P i 0 V U V N El campo exterior favorece la difusión de mayoritarios La zona de transición se hace más estrecha La corriente de minoritarios es prácticamente despreciable

30 El Diodo A K A V P N i K 1 i [ma] Ge Si V [Volt.] I D e VD q K T = I S 1 I S = Corriente Saturación Inversa K = Cte. Boltzman V D = Tensión diodo q = carga del electrón T = temperatura (ºK) I D = Corriente diodo

31 DIODO REAL (Distintas escalas) i [ma] 1 Ge Ge: mejor en conducción Si: mejor en bloqueo Si 30 i [ma] Ge Si V [Volt.] V [Volt.] i [μa] i [pa] V [Volt.] V [Volt.] Ge 0.8 Si 10

32 DIODO: distintas aproximaciones I Ideal I Solo tensión de codo Ge = 0.3 Si = 0.6 I Tensión de codo y Resistencia directa V V V I Corriente de fugas con Tensión de codo y Resistencia directa I Curva real (simuladores, análisis gráfico) V V

33 DIODO: distintas aproximaciones Existe un modelo eléctrico sencillo del diodo? Linealización de las características i d i d Δi d rd = ΔV Δi d d V R ΔV d V R V V d V V d α α V V R r d directa inversa

34 DIODO: limitaciones Tensión inversa máxima Ruptura de la Unión por avalancha Diodo ideal I Corriente máxima Límite térmico Cortocircuito Circuito abierto V 600 V/6000 A 200 V /60 A 1000 V /1 A

35 DIODO: Parámetros facilitados por fabricantes i d I Omax V R = 1000V Tensión inversa máxima I OMAX (AV) = 1A Corriente directa máxima V F = 1V Caída de Tensión directa I R = 50 na Corriente inversa V R i S V d V R = 100V Tensión inversa máxima I OMAX (AV) = 150mA Corriente directa máxima V F = 1V Caída de Tensión directa I R = 25 na Corriente inversa NOTA: Se sugiere con un buscador obtener las hojas de características de un diodo (p.e. 1N4007). Normalmente aparecerán varios fabricantes para el mismo componente.

36 Capacidades parásitas: capacidad de transición Unión PN Condensador Con V Con V Con V ΔV P Con V ΔV N P N Condensador: nuevas cargas a la la misma distancia (C=cte.) Unión PN: nuevas cargas a distinta distancia (C (C cte.)

37 Capacidades parásitas: capacidad de transición C trans 100pF 30pF 0 V Es Es una función del tipo K (V O V) 1/2 1/2 Disminuye al aumentar la tensión inversa aplicada. Las cargas se alejan más unas de otras

38 Capacidades parásitas: capacidad de transición Los diodos varicap o varactores son diodos que se utilizan como condensadores variables controlados por por tensión. Se basan en la capacidad de transición de una unión PN polarizada inversamente. Se utilizan frecuentemente en electrónica de comunicaciones para realizar moduladores de frecuencia, osciladores controlados por tensión, control automático de sintonía, etc. Muy importante Símbolo Se usa polarizado inversamente

39 Diodo Varicap (Varicap, Varactor or Tuning diode) P N Dieléctrico La unión PN polarizada inversamente puede asimilarse a un condensador de placas planas (zona de transición). Esta capacidad se llama Capacidad de Transición (C T ). Notar, que al aumentar la tensión inversa aumenta la zona de transición. Un efecto parecido al de separar las placas de un condensador (C T disminuye). d 30 pf C T Tenemos pues una capacidad dependiente de la tensión inversa. Un diodo Varicap tiene calibrada y caracterizada esta capacidad. 10 V V I Uso en equipos de comunicaciones (p.e. Control automático de frecuencia en sintonizadores)

40 Capacidades parásitas: capacidad de difusión dominante con polarización directa La capacidad de difusión. Esta capacidad está ligada a la concentración de minoritarios en los bordes externos de la zona de transición. Al incrementar la tensión tiene que producirse un aumento de concentración de minoritarios, que tarda tiempo en producirse, lo que se asocia a la llamada capacidad de difusión

41 a b V 1 V 2 R i V Tiempos de conmutación Transición de a a b (apagado), en una escala detallada (μs o ns). t s = tiempo de almacenamiento (storage time ) t f = tiempo de caída (fall time ) t rr = tiempo de recuperación inversa (reverse recovery time ) i V 2 /R V 2 V 1 /R t rr V t t t s t f (i= 0,1 V 2 /R)

42 DIODOS ESPECIALES Diodo Zener (Zener diode) La ruptura no es destructiva. (Ruptura Zener). Tensión Zener (V Z ) I En la zona Zener se comporta como una fuente de tensión (Tensión Zener). Necesitamos, un límite de corriente inversa. V Límite máximo Normalmente, límite de potencia máxima Podemos añadir al modelo lineal la resistencia Zener. Aplicaciones en pequeñas fuentes de tensión y referencias.

43 Diodos zener Fenómeno de avalancha o zener. Avalancha: la ruptura de los enlaces se produce por el choque de los portadores minoritarios contra los átomos del cristal. Los portadores son acelerados por el campo externo aplicado. Zener: Se consigue dopando más uno de los semiconductores para provocar un elevado gradiente de campo eléctrico en la zona de transición, y éste es el causante de la ruptura de los enlaces. Diferencias: Coeficiente de temperatura positivo en el caso de la ruptura por avalancha y negativo en el caso ruptura zener. Cuándo se produce cada una? Para el Si: si la tensión a la que se produce la ruptura es menor de 4,5 voltios, la ruptura es tipo zener; si es mayor que 9 voltios, es tipo avalancha; a tensiones entre 4,5 y 9 voltios es mixta. Para el Ge: lo mismo pero con 2,7 y 5,4 voltios.

44 V i Diodos zener V Z i pend.=1/r d V pend.=1/r Z 0 V γ A Circuito equivalente asintótico A ideal r d V Z r Z K V γ K ideal

45 Diodos zener Circuito estabilizador con zener R S R 1 V i V Z i V V B Fuente de tensión real R L V RL Queremos que V RL sea constante 0 Si se diseña para que el punto de trabajo del zener esté en la zona de ruptura (zona zener),

46 Diodo LED (LED diode) Diodo emisor de Luz = Light Emitter Diode El semiconductor es un compuesto IIIV (p.e. Ga As). Con la unión PN polarizada directamente emiten fotones (luz) de una cierta longitud de onda. (p.e. Luz roja) A K

47 Diodo LED (LED diode) Materiales: GaAs ALInGap GaP SiC GaN Infrarrojo Rojo Verde Azul Ultravioleta

48 Fotodiodos (Photodiode) Los diodos basados en compuestos IIIV, presentan una corriente de fugas proporcional a la luz incidente (siendo sensibles a una determinada longitud de onda). i V Estos fotodiodos se usan en el tercer cuadrante. Siendo su aplicaciones principales: Sensores de luz (fotómetros) Comunicaciones i opt El modelo puede ser una fuente de corriente dependiente de la luz o de la temperatura según el caso 0 COMENTARIO Los diodos normales presentan variaciones en la corriente de fugas proporcionales a la Temperatura y pueden ser usados como sensores térmicos I = f(t) T 1 T 2 >T 1 i 0 V

49 Células solares (Solar Cell) Efecto fotovoltaico G L =0 G L1 V P N i Luz (E luz = h ν) i sin luz v Ojo!! la variación de temperatura no genera operación en el tercer cuadrante i T 2 G L2 G L3 T 1 Comportamiento como fotodiodo Comportamiento como célula fotovoltaica o célula solar V

50 i V CA V Células solares (Solar Cell) Cuando incide luz en una unión PN, la característica del diodo se desplaza hacia el 4º cuadrante. En este caso, el dispositivo puede usarse como generador. Zona uso i CC Paneles de células solares

51 Diodo Schottky (Schottky diode) Unión Metalsemiconductor N. Produciéndose el llamado efecto schottky. La zona N debe estar poco dopada. Dispositivos muy rápidos (capacidades asociadas muy bajas). Corriente de fugas significativamente mayor. Menores tensiones de ruptura. Caídas directas mas bajas (tensión de codo 0.2 V). Aplicaciones en Electrónica Digital y en Electrónica de Potencia El efecto Schottky fue predicho teóricamente en 1938 por Walter H. Schottky

52 Diodo tunel y diodo GUNN (Gunn diode and Tunnel diode) Tienen dopadas mucho las dos zonas del diodo (10 5 veces mayor). I D Zona de resistencia negativa. Efecto Túnel V D Aparece un efecto nuevo conocido como efecto túnel. (Descubierto por Leo Esaki en 1958). Un efecto parecido (GUNN) se produce en una cavidad tipo N de Ga As. El diodo GUNN fue descubierto por Ian Gunn en Los efectos se traducen en una zona de resistencia negativa en la característica directa del diodo. Diodo GUNN Esta zona se aprovecha para hacer osciladores de microondas. (El diodo GUNN aparece en el oscilador local del receptor del radar. Está presente en todos los radares marinos actuales).

53 ASOCIACIÓN DE DIODOS Puente rectificador Diodo de alta tensión (Diodos en serie) Monofásico Trifásico DISPLAY

54 APLICACIONES DE DIODOS Detectores reflexión de objeto Detectores reflexión de espejo Detectores de barrera

55 APLICACIONES DE DIODOS Sensores de luz: Fotómetros Sensor de lluvia en vehículos Detectores de humo Sensor de Color Objetivo LED azul LED verde LED rojo Fotodiodo LED

56 COMENTARIOS SOBRE CIRCUITOS Los diodos (y el resto de dispositivos electrónicos) son dispositivos no lineales. Cuidado, no se puede aplicar el principio de superposición! Cuidado, no se puede aplicar el análisis con complejos EJEMPLO TÍPICO: RECTIFICADOR V E t V E V S V S t V E V MAX R I D t V MAX V D

57 COMENTARIOS SOBRE CIRCUITOS Si POLARIZAMOS en una zona de funcionamiento, podremos aplicar el principio de superposición y sustituir el dispositivo por un equivalente lineal. AQUÍ SI, PODEMOS CONSIDERARLO UN ELEMENTO LINEAL!! V E V S V CC V AC V S Hablaremos de: Circuito de polarización (Circuito de continua) y de: Circuito alterna t V E V CC I D t Equivalente del diodo t V D

58 RECTA DE CARGA Y PUNTO DE FUNCIONAMIENTO CIRCUITO LINEAL R TH I D V TH V D V R TH TH I Característica del diodo PUNTO DE FUNCIONAMIENTO I D Característica del circuito lineal (RECTA DE CARGA) V D V TH V

59 DIODOS: Propuesta para el alumno Búsqueda en la web: Con ayuda de un buscador(google o similar), se sugiere obtener y consultar hojas de características (Datasheet) de diodos comerciales. Familiarizarse con los parámetros característicos de los dispositivos, tensión y corriente máximas,... Es normal encontrar para cada referencia de componente, fabricantes distintos. Toda la información está siempre en Ingles. A continuación se sugieren algunas referencias para la búsqueda. No obstante, con el término ingles (diode, Zener diode, tunnel diode, etc) aparecen muchísimas referencias, catálogos completos, guías de selección, etc. 1N4007 1N4148 OA91 HLMPD150 BZX79C15 10MQ040N OK60 BB152 MG AI201K BPW21R Diodo de Silicio Diodo de Silicio rápido (FAST) Diodo de Germanio Diodo LED Diodo Zener Diodo Schottky Panel Solar Diodo Varicap Diodo GUNN Diodo Tunel Fotodiodo

60 TRANSISTORES (Panorámica) BIPOLARES NPN PNP TRANSISTORES UNIÓN CANAL N (JFETN) CANAL P (JFETP) EFECTO DE CAMPO METALOXIDO SEMICONDUCTOR CANAL N (MOSFETN) CANAL P (MOSFETP) * FET : Field Effect Transistor

61 TRANSISTOR BIPOLAR NPN (NPN bipolar transistor) Colector (C) SÍMBOLO C N C Base (B) N P N B E Emisor (E) En principio un transistor bipolar está formado por dos uniones PN. Para que sea un transistor y no dos diodos deben de cumplirse dos condiciones. 1. La zona de Base debe ser muy estrecha y poco dopada (Fundamental para que sea transistor). 2. El emisor debe de estar muy dopado. Normalmente, el colector está muy poco dopado y es mucho mayor. IMPORTANTE!!! No es un dispositivo simétrico P B N E ASPECTO MAS REAL DE UN TRANSISTOR BIPOLAR Descubiertos por Shockley, Brattain y Barden en 1947 (Laboratorios Bell)

62 Transistor mal hecho (con base ancha) V EB =0.3 V BC I E E IB B C I C P N P W B >>L P V EB V BC Circuito equivalente con Base ancha. Los portadores de la zona de E (huecos) no alcanzan el colector ya que se recombinan en la zona de base E I E =I B B I C =I CO C Lp: Longitud de difusión es la distancia media recorrida por un portador antes de recombinarse

63 Transistor bien hecho (con base ancha) V EB B V BC E P N P C Emisor (P) Colector (P) Reducimos el ancho de la base: W B <<L P V EB B (N) V BC Los portadores procedentes del emisor se ven atraídos por el campo eléctrico y llegan al colector. Solo una pequeña parte se recombina en la zona de base.

64 Tipos de Transistores Emisor e p n p c Colector Base I B B I C C Colector V CE b Base Transistor PNP PNP E Emisor Emisor e n p n c Colector b Base Transistor NPN Polarizamos las uniones: EmisorBase, directamente BaseColector, inversamente

65 CARACTERÍSTICAS DE UN TRANSISTOR NPN I B = f(v BE, V CE ) Característica de entrada En principio necesitamos conocer 3 tensiones y 3 corrientes: I C I C, I B, I E V CB V CE, V BE, V CB I B V CE En la práctica basta con conocer solo 2 corrientes y dos tensiones. V BE I E Normalmente se trabaja con I C, I B, V CE y V BE. Por supuesto las otras dos pueden obtenerse fácilmente: I C = f(v CE, I B ) Característica de salida I E = I C I B V CB = V CE V BE

66 Configuración en Emisor Común B C V BE, V CE,I C y I B R B R C I C V CC V CE V CE V BE E V BB I B Emisor Común V BE, V CE, I C y I B R B V CE V CC R C I C V BB I B

67 Configuración en Emisor Común I B = f(v BE, V CE ) Característica de entrada I C = f(v CE, I B ) Característica de salida I B I C Activa Avalancha Secundaria V CE = 0 V CE1 V CE2 I CMax I B6 I B5 Saturación I B4 P Max = V CE I C I B3 I B2 Avalancha Primaria I B1 V BE I B = 0 1V V CEMax V CE Corte

68 Factor de amplificación de corriente α Partimos de : I E E C I C I C α I E y I E = I B I C Eliminando I E queda: I C I B α/(1α) Definimos β: β = α/(1α) Luego: I C β I B Típicamente: β = β V EB I B B V BC Los fabricantes usan el término h FE en vez de β. β max β min β típica IC

69 Zona Activa I C Resumen Zona de Corte I C Zona de Saturación I C I B V CB N V EB P P R I B V CB N V BE P P R I B V CB N V EB P P R I E V 1 I E V 1 I E V 1 V CB < 0 I C α I E y I B (1α) I E I C β I B y I E (1β) I B I C 0, I E 0 y I B 0 V CB > 0 (V CE 0) I C V 1 /R

70 Resumen Zonas de trabajo Referencias normalizadas C I B B V BE E I C V CE Saturación Zona Activa Curvas de salida I C [ma] I B =400μA 0 I B =300μA I B =200μA I B =100μA I B =0μA Corte V CE [V]

71 I B R=200Ω V 1 V CE Análisis gráfico en emisor común I C V 2 =6V I C [ma] I B =0μA I B = 0 I C 0 V CE 6V Corte I B =400μA I B =300μA I B =200μA I B =100μA V CE [V] Recta de carga I B = 100μA I C 10mA V CE 4V Zona activa I B = 200μA I C 20mA V CE 2V Zona activa I B = 300μA I C 30mA V CE 0,4V Saturación I B = 400μA I C 30mA V CE 0,4V Saturación

72 Análisis gráfico en emisor común I C Saturación Z. Activa Esta representación justifica en término saturación. Corte I B Determinación del del estado en en zona activa o en en saturación en en circuitos Zona Activa: II IIB β C F Saturación: II C < II B β F

73 Resumen con transistores NPN I B NPN, z. activa V CB P N N R I C I B NPN, corte V CB P N N R I C NPN, saturación I B V CB P N N R I C V BE I E V 1 V EB I E V 1 V BE I E V 1 V CB > 0 I C α (I E ) I C β I B I C 0, I E 0 y I B 0 V CB < 0 (V CE 0) I C V 1 /R

74 Curvas características en emisor común en un transistor NPN Referencias normalizadas I B B V BE C E I C V CE I B [μa] Curvas de entrada 100 V CE =0 V CE =5V V CE =10V V BE [V] I C [ma] 0 I B = 400μA I B = 300μA I B = 200μA I B = 100μA I B =0μA Curvas de salida V CE [V] 0 0,6 Todas las magnitudes importantes son positivas

75 Algunos transistores y fabricantes más comunes. V CE = 1500 I C = 8 H FE = 20 TOSHIBA

76 USOS DEL TRANSISTOR NPN: Como interruptor 12 V I 3 A 12 V 36 W 12 V I 40 ma 3 A β = V 36 W Sustituimos el interruptor principal por un transistor. La corriente de base debe ser suficiente para asegurar la zona de saturación. PF (ON) I C 4 A 3 A ON I B = 40 ma Ventajas: No desgaste, sin chispas, rapidez, permite control desde sistema lógico. Electrónica de Potencia y Electrónica digital OFF 12 V PF (OFF) V CE

77 USOS DEL TRANSISTOR NPN: Como fuente de corriente (amplificador) 12 V R B U E IB U C I C R C β = 100 PF ELECTRÓNICA ANALÓGICA U C U E 12 U BIAS U BIAS En R C (p.e. altavoz) obtenemos una copia de U E (p.e. música). Notar la presencia de un indeseable nivel de continua. Podremos aplicar el principio de superposición y linealizar el transistor entorno a su punto de funcionamiento. Necesitamos polarizar el transistor para que siempre se comporte como una fuente de corriente dependiente: I C = f(i B ) Hablaremos de circuito de continua (polarización) y de circuito de alterna.

78 USOS DEL TRANSISTOR NPN: Saturación como amplificador 12 V R B U E IB U C I C R C β = 100 PF U BIAS U C U E 12 U BIAS El transistor se sale de la zona de fuente de corriente. Las tensiones del circuito no pueden sobrepasar las de alimentación. Decimos que el amplificador se satura (y distorsiona).

79 TRANSISTORES: Propuesta para el alumno Búsqueda en la web: Con ayuda de un buscador(google o similar), se sugiere obtener y consultar hojas de características (Datasheet) de transistores comerciales. Familiarizarse con los parámetros característicos de los dispositivos, tensión y corriente máximas,... Reproducir los circuitos previos (transistor como interruptor y fuente de corriente) para un transistor PNP I C Identificar los sentidos reales de la corriente Que transistor es más rápido NPN o PNP?, por qué? I CMAX I CMAX Corriente máxima de colector B P MAX C E V CEMAX P MAX Tensión máxima CE Potencia máxima SOAR V CEMAX V CESAT Tensión C.E. de saturación H FE β Ganancia Área de operación segura (Safety Operation Area) V CE

80 FOTOTRANSISTOR (Phototransistor) La luz (fotones de una cierta longitud de onda) al incidir en la zona de base desempeñan el papel de corriente de base C E El terminal de Base, puede estar presente o no. No confundir con un fotodiodo.

81 FOTOTRANSISTOR (Phototransistor)

82 ASOCIACIÓN DE TRANSISTORES OPTOACOPLADOR Conjunto fotodiodo fototransistor OBJETIVO: Proporcionar aislamiento galvánico y protección eléctrica. Detección de obstáculos.

83 APLICACIÓN TÍPICA DE LOS OPTOACOPLADORES: "Encoder" óptico para medida de velocidad y posicionado

84 TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO (FET Field Effect Transistor) UNIÓN CANAL N (JFETN) CANAL P (JFETP) EFECTO DE CAMPO METALOXIDO SEMICONDUCTOR CANAL N (MOSFETN) CANAL P (MOSFETP) Dr Julius Lilienfield (Alemania) en 1926 patentó el concepto de "Field Effect Transistor". 20 años antes que en los laboratorio Bell fabricaran el primer transistor bipolar.

85 JFET de canal N (JFET Junction Field Effect Transistor) D Notar que es un dispositivo simétrico (D y S son intercambiables) CANAL D Drenador (Drain) G Puerta (Gate) G N P P G D S S Otros símbolos G D G D S Fuente (Source) SÍMBOLO canal N S canal P S

86 Principio de funcionamiento de los transistores de efecto de campo de unión, JFET (S) N P (D) P (G) V 1 Según aumenta la tensión drenadorfuente, aumenta la resistencia del canal, ya que aumenta la zona de transición, que es una zona de pocos portadores

87 Principio de funcionamiento de los transistores de efecto de campo de unión, JFET G D I D Evolución si la resistencia no cambiara con la tensión. V DS S I D Evolución real en un JFET (la resistencia cambia con la tensión aplicada). V 1 V 2 V DS

88 Resumen del principio de funcionamiento de los JFET cuando VGS = 0 V DS =0 V DS =V 1 I D Comportamiento resistivo Comportamiento como fuente de corriente V DS =V 2 V DS =V PO V DS V DS =V 3 V 3 V DS =V 4 V 1 V 2 V PO V 4 EL CANAL SE VA ESTRANGULANDO (DISMINUYENDO SECCIÓN) HASTA DESAPARECER

89 Curvas características de un JFET (canal N) Referencias normalizadas G V GS D S V DS I D Curvas de salida I D [ma] V GS = 0V V GS = 0,5V V GS = 1V V GS = 1,5V V GS = 2V V DS [V] Contracción del canal SE COMPORTA COMO UN TRANSISTOR BIPOLAR DONDE LA TENSIÓN DE PUERTA (U GS ) JUEGA EL PAPEL DE LA CORRIENTE DE BASE. PODEMOS DECIR QUE ES UN DISPOSITIVO CONTROLADO POR TENSIÓN.

90 Análisis gráfico de un JFET en fuente común G 2,5KΩ V GS D S V DS I D 10V V GS = 0V > 0,5V > 1V > 1,5V > 2V I D [ma] V GS = 0V V GS = 0,5V V GS = 1V V GS = 1,5V V GS = 2V V DS [V] V GS = 2,5V > 2,5V Comportamiento resistivo Comportamiento como fuente de corriente Comportamiento como circuito abierto

91 Comparación entre transistores bipolares y JFET R I C R I D V 1 I B C (N) B (P) I G 0 G (P) V 2 V 1 V BE E (N) V GS D N S V 2 En ambos casos, las tensiones de entrada (V BE y V GS ) determinan las corrientes de salida (I C e I D ). En zona de comportamiento como fuente de corriente, es útil relacionar corrientes de salida y entrada (transistor bipolar) o corriente de salida con tensión de entrada (JFET). La potencia que la fuente V 1 tiene que suministrar es mucho más pequeña en el caso del JFET (la corriente es casi cero, al estar polarizada inversamente la unión puertacanal).

92 Características dadas por los fabricantes. Aplicaciones Comunicaciones Alta impedancia de entrada Amplificadores de ganancia elevada Baja potencia

93 COMENTARIOS SOBRE LOS JFET Los jfet tanto de canal n como de canal p son actualmente poco utilizados. El jfet es más rápido al ser un dispositivo unipolar (conducción no determinada por la concentración de minoritarios). El jfet puede usarse como resistencia controlada por tensión, ya que tiene una zona de trabajo con característica resistiva Cuidado con el termino saturación del canal, no confundir con región de saturación en el transistor bipolar!!! Puede resultar un poco confusa la nomenclatura. Al igual que pasa con los transistores bipolares, en igualdad de condiciones, el jfet de canal n es mas rápido que el de canal p. (Razón: movilidad de electrones mayor que la de huecos)

94 TRANSISTORES MOSFET (MOS Metal Oxide Semiconductor FET Field Effect Transistor ) UNIÓN CANAL N (JFETN) CANAL P (JFETP) EFECTO DE CAMPO METALOXIDO SEMICONDUCTOR CANAL N (MOSFETN) CANAL P (MOSFETP) Dr Martín Atalla y Dr Dawon Kahng desarrollaron en primer MOSFET en los laboratorios Bell en 1960

95 Los transistores MOSFET Estructura Metal Contactos metálicos SiO 2 S G D Símbolo G D Substrato S P N N MOSFET de enriquecimiento (acumulación) de canal N Substrato G MOSFET de enriquecimiento de canal P D S

96 Principios de operación de los MOSFET S G D Se empieza a formar una capa de electrones (minoritarios del substrato) N N P Substrato V Por atracción electrostática la zona bajo la puerta (CANAL) se enriquece de cargas negativas (minoritarios de la zona P). El CANAL, así enriquecido, se comporta como una zona N (CANAL N)

97 Principios de operación de los MOSFET S G D Esta capa de minoritarios es llamada capa de inversión N N P V 3 = V TH > V 2 Substrato Esta capa es una zona de transición (no tiene casi portadores de carga) Al aumentar la tensión de puerta (V GS ), aumenta el canal. La situación es parecida al JFET, solo que ahora vamos aumentando el canal a medida que polarizamos positivamente la puerta (G)

98 Principios de operación de los MOSFET V DS =V DS1 >0 I D P S G D N N V GS El canal se empieza a contraer según aumenta la tensión V DS. La situación es semejante a la que se da en un JFET. Substrato

99 Principios de operación de los MOSFET V DS3 >V DSPO I D S G D N N P V GS Substrato Aparecen dos tendencias contrapuestas que se compensan: Aumento de la corriente por aumentar la tensión V DS Disminución de la corriente por el estrechamiento del canal Resultado: comportamiento como fuente de corriente

100 Curvas características de un MOSFET de acumulación o enriquecimiento de canal N Referencias normalizadas G V GS D S V DS I D I D [ma] Curvas de salida V GS = 4,5V V GS = 4V V GS = 3,5V V GS = 3V V GS = 2,5V V DS [V] V GS < V TH = 2V

101 P S G N N N D Los MOSFET de empobrecimiento o deplexión Existe canal sin necesidad de aplicar tensión a la puerta. Se podrá establecer circulación de corriente entre drenador y fuente sin necesidad de colocar tensión positiva en la puerta. Substrato I D [ma] Deplexión V GS = 1V V GS = 0,5V V GS = 0V V GS = 0,5V V GS = 1V V GS < 1,5V V DS [V] Modo acumulación Modo deplexión

102 Símbolos de los MOSFET D G Tipo S enriquecimiento D G Tipo S deplexión Canal N D G Tipo S enriquecimiento D G Tipo S deplexión Canal P

103 Circuitos de polarización R I D R I D G D S V DS V 2 G D S V DS V 2 V V 1 GS Canal N V 1 V GS Canal P Hay que invertir los sentidos reales de tensiones y corrientes para operar en los mismas zonas de trabajo.

104 MOSFET DE CANAL N ( Que pasa con el substrato?) D D COMENTARIO: Aunque a veces se dibuje el símbolo con un diodo, tener en cuenta que NO ES UN COMPONENTE APARTE. G S G S I D U GS [V] =15 V =10 V =5 V Diodo parásito (Substrato Drenador) V DS = 0 V

105 MOSFET DE CANAL N (precauciones con la puerta) La puerta (G) es muy sensible. D Puede perforarse con tensiones bastante pequeñas (valores típicos de 30 V). I D No debe dejarse nunca al aire y debe protegerse adecuadamente. 30 V 30 V V GS G CAUTION, ELECTROSTATIC SENSITIVE!!! S

106 USOS DEL MOSFET Canal N: Como interruptor 12 V I 3 A 12 V 36 W 12 V I 3 A 12 V 36 W La puerta no puede quedar al aire (debe protegerse) I D Sustituimos el interruptor principal por un transistor. PF (ON) 4 A 3 A ON U GS = 12 V LA CORRIENTE DE PUERTA ES NULA (MUY PEQUEÑA)!!! OFF 12 V PF (OFF) V DS

107 CURVA DE SALIDA TÍPICA DE UN MOSFET DE CANAL N DE POCA CORRIENTE Comportamiento resistivo Fuente de corriente (aumenta significativamente con la tensión V DS )

108 USOS DEL MOSFET Canal P: Como interruptor La puerta no puede quedar al aire (debe protegerse) 12 V I 3 A 12 V I 3 A 12 V 36 W 12 V 36 W I D Sustituimos el interruptor principal por un transistor. PF (ON) 4 A 3 A ON U SG =12 V LA CORRIENTE DE PUERTA ES NULA (MUY PEQUEÑA)!!! OFF 12 V PF (OFF) V SD

109 CURVA DE SALIDA TÍPICA DE UN MOSFET DE CANAL P Comportamiento resistivo Fuente de corriente (aumenta significativamente con la tensión V SD )

110 Mosfet comerciales. Potencias y tensiones de funcionamiento TO220 TO247 IRF540: UDS= 100V ID= 28A RDS= 7.7mΩ P=150W IRF460: UDS= 600V ID= 28A RDS= 0.58 Ω P=180W SKM 253 B 020: UDS= 200V ID= 250A RDS= 8.6 mω P=1000W

111 Comparación entre Bipolar y Mosfet MOSFET: Alta velocidad de conmutación Controlado por tensión Circuitos de control simples Coeficiente de temperatura negativo Fácil paralelizado Impedancias de Entrada Elevadas ( W) Ganancias Elevadas Temperatura máxima de funcionamiento 200ºC BIPOLAR: Baja velocidad de conmutación Controlado por corriente Circuitos de control complicados (potencia) Coeficiente de temperatura positivo Dificil paralelizado Impedancias de Entrada Elevadas ( W) Ganancias Elevadas Temperatura máxima de funcionamiento 150ºC

112 C N Cada punto representa un MOSFET P N MOSFET DE POTENCIA B E BIPOLAR DE POTENCIA (Muchos pequeños MOSFET en paralelo, realmente es un "Circuito Integrado")

113 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS: PEQUEÑOS Y GRANDES SEGÚN LA APLICACIÓN EL MAS PEQUEÑO UNO GRANDE Unos de los 12 SCR para un pequeño rectificador trifásico de 500 MW y 500 KV (IngaShaba, ZAIRE)