FIUNER DAE IDE Instrumental y Dispositivos Electrónicos Departamento Académico Electrónica Facultad de Ingeniería 2018
FIUNER DAE IDE Componentes Electrónicos Pasivos Resistencia Capacitor Bobina Diodo Lineales No Lineal Activos Transistor Transistor Bipolar de Juntura (TBJ) Transistor de Efecto de Campo (FET)
FIUNER DAE IDE Diodos Resistencia R i + V i =# 1 R & v i v El diodo es un dispositivo no lineal de 2 terminales Un diodo ideal conduce sólo en una dirección
FIUNER DAE IDE Curva característica del diodo ideal Región de conducción Región de no conducción El diodo actúa como un cortocircuito La tensión a través del diodo es 0 V La corriente esta limitada por el circuito externo R + + V V R + I D V D + V V + El diodo actúa como un circuito abierto I D =0 A La tensión en el diodo depende del circuito externo R R I D V D + V D
FIUNER DAE IDE Materiales Semiconductores Resistividad: ρ = R.A / L [Ωcm] Conductor (Cu): ρ = 10 6 Semiconductor Ge: ρ = 10 0 / Si: ρ = 10 3 Aislante (Mica) : ρ = 10 12
FIUNER DAE IDE Si y Ge intrínseco Enlace covalente del S i G e Si Si Si Si Si Si Estructura atómica S i Si Si Si Electrones de valencia Electrones compartidos
FIUNER DAE IDE Niveles de energía Energía Banda de conducción Electrones libres para conducción Energía Banda de conducción Energía E g > 5 ev E g Banda de valencia Las bandas se traslapan Banda de conducción Banda de valencia Banda de valencia Aislante Electrones de valencia ligados a la estructura atómica Semiconductor Conductor E g =1,1 ev (Si) E g =0,67 ev (Ge) E g =1,41 ev (GaAs)
FIUNER DAE IDE Materiales extrínsecos tipo N Átomos de impureza pentavalentes (antimonio, arsénico, fósforo) Cada átomo de impureza dona un electrón Cada átomo de impureza genera un ión positivo Portadores de carga mayoritarios: electrones Portadores de carga minoritarios: huecos Impureza de antimonio Si Si Si Si Sb Si Si 5 electrón Si Si Energía Banda de conducción E g Banda de valencia Nivel Energía donor
FIUNER DAE IDE Materiales extrínsecos tipo P Átomos de impureza trivalentes (boro, indio, galio) Cada átomo de impureza acepta un electrón de un enlace covalente, enlace que se convierte en un hueco Cada átomo de impureza genera un ión negativo Portadores de carga mayoritarios: huecos Portadores de carga minoritarios: electrones Si Si Si Si Hueco B Si Si Si Si
FIUNER DAE IDE Niveles de energía E G Material intrínseco Si Ge E G 1,1 ev 0,67 ev Material extrínseco Si Ge E G 0,05 ev 0,01 ev
FIUNER DAE IDE Flujo de electrones y huecos Si Si Si Si Si + + Si B Si Flujo de huecos Flujo de electrones
FIUNER DAE IDE Semiconductor tipo N y P Semiconductor tipo N Impurezas donadoras Portadores mayoritarios: Electrones () Semiconductor tipo P Impurezas aceptoras Portadores mayoritarios: huecos (+) N P + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + ++ + + + +
FIUNER DAE IDE Diodo semiconductor P N A K + + + + + + + + + + + + + + + + + A + ++ A + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + A + + + + ++ A + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + A + ++ + A + + + + + + + + + + + + + + + + + + A + ++ A + + + + + + + + + + + + + + + + + A ++ A + + + + + P J N C hp C en C ep C hn
FIUNER DAE IDE POLARIZACIÓN INVERSA Y DIRECTA P + + + + + + + + + + + + + + + + + A + + + + + + + + + + + + + + + + + + A + A + + + + + + + + + + + + + + + + A A + + + + + + + + + + + + + + + A A A A N ++ ++ A A + + + + + ++ ++ A A + + + + ++ ++ + A A + + ++ ++ A + A + + + + ++ + ++ ++ A A + + + + + + + + A + V D I D = I 0 + K + P V N + + + + + + + + + + + + + + + + + A + + + + + + + + + + + + + + + + + + A + + + + + + + + + + + + + + + + + A + + + + + + + + + + + + + + A + + + + + + + + + + + + + A Huecos (+) ++ A + + + + + ++ A + + + + ++ + A + + ++ A + + + + + + ++ A + + + + Electrones() A + V D I D K + + V
Curva característica del diodo I D V D / nv = I ( e T S 1) V T = k.t/q, [V] V D : voltaje del diodo entre terminales, [V] I s : corriente inversa de saturación, [A] T: temperatura absoluta de la juntura, [K] k: constante de Boltzmann (1,38.10 23 J/ K) q: carga del electrón (1,6.10E 19 C) η: constante empírica (1 para Ge; 1 ó 2 para Si) Valor de V T a 20 C (293 K) FIUNER DAE IDE J / K V T = kt / q K = 25, 27mV C
FIUNER DAE IDE Polarización inversa Existe un punto a partir del cuál las características sufren un cambio drástico, la corriente comienza a aumentar con polarización inversa Avalancha Ruptura Zener + _ Generación por colisión _ + Generación por efecto zener
FIUNER DAE IDE Efectos de la temperatura Reduce la tensión de polarización directa necesaria para la conducción de polarización. Se aumenta la cantidad de corriente inversa en la condición de polarización inversa. Aumenta la tensión inversa máxima avalancha El diodo de Ge es mas sensible a la temperatura que el de Si K [mv/ C] Ge 2,5 Si 2
FIUNER DAE IDE Capacidad del diodo C T o C D C T = ε A/d C D = ζ I D /V T Con polarización inversa. La zona de transición aumenta por lo que se forma una zona libre de cargas con un campo eléctrico aplicado. Lo que conforma una capacidad C T (de transición) El valor de la capacidad depende de la tensión inversa aplicada. En polarización directa debido a la alta diferencia de concentraciones de cargas se genera un efecto capacitivo. Capacidad de difusión C D
FIUNER DAE IDE Tiempo de recuperación inversa (t rr ) Vi El tiempo de recuperación inversa es el tiempo requerido por el diodo para pasar del estado de conducción al de no conducción R t Vi I D + V D ü Limita la frecuencia de operación ü Disipa potencia durante el tiempo de recuperación inversa ü Diodos de recuperación rápida o diodos rápidos
FIUNER DAE IDE Parámetros característicos Características estáticas en polarización directa Intensidad directa (I F I D ) Es la máxima corriente que puede circular por el diodo cuando se encuentra en el estado de conducción. Voltaje directo (V D ) Voltaje necesario para poner al diodo en estado de conducción. Intensidad de pico repetitivo: Es aquélla que puede ser soportada cada 20 ms, con una duración de pico de 1 ms, a una determinada temperatura (normalmente 25º). Intensidad directa de pico no repetitiva Es el máximo pico de intensidad aplicable, una vez cada 10 minutos, con una duración de 10 ms.
FIUNER DAE IDE Características estáticas en polarización inversa Voltaje de pico inverso (VPI) o inverso de pico PIV Peak Inverse Voltage, PRV Peak Reverse Voltage Es el que puede ser soportado por el dispositivo de forma continuada, sin peligro de entrar en ruptura por avalancha. Voltaje inverso de pico repetitivo Es el que puede ser soportado en picos de 1 ms, repetidos cada 10 ms de forma continuada. Voltaje inverso de pico no repetitiva: Es el que puede ser soportado una sola vez durante 10ms cada 10 minutos o más. Voltaje de ruptura (V R ): Si se alcanza, aunque sea una sola vez, durante 10 ms el diodo puede destruirse o degradarse en sus características. Corriente inversa de saturación (I R, I S ) Es la corriente en polarización inversa antes de la ruptura
FIUNER DAE IDE Resistencia de AC o dinámica I D V DD R Característica del diodo v = V + D DQ v d I D Punto Q Recta de carga 0 V D V DD V D
FIUNER DAE IDE v d = r d i d Depende del punto de trabajo A r d K
Resistencia dinámica del diodo, r D d D T V V S T V v D D r I V e I V dv di T D D D 1 1 1 = = = = 1 T D V v S D e I i La derivada de una función en un punto es igual a la pendiente de la tangente en ese punto. Sólo válida en la región de conducción en polarización directa del diodo D D T d I mv I V r 25 = Ecuación de Shockley >> 1 T D V V e Si FIUNER DAE IDE
Hoja de datos FIUNER DAE IDE
FIUNER DAE IDE Valores límites o regímenes máximos absolutos (maximum ratings) JEDEC ex Joint Electron Devices Engineering Council): Son los valores límites de las condiciones operativas y ambientales aplicables a cualquier dispositivo electrónico de tipo específico, estando definidos por sus datos publicados y no debiendo ser excedidos en las condiciones probables más adversas
Características eléctricas Valores mínimo, típico y máximo de cada parámetro FIUNER DAE IDE
FIUNER DAE IDE Diodo Emisor de luz (LED Light Emitting Diode) Principales características Voltaje: 1.5 a 2.2 V Corriente: 2, 10, 20 ma (típicos)
FIUNER DAE IDE Diodo Emisor de luz (LED Light Emitting Diode) Material λ [nm] Color AsGa (gallium arsenide) 904 IR AsGaAl (aluminium gallium arsenide) 750850 Rojo AsGaP (gallium arsenide phosphide) 590 Amarillo PGa (gallium phosphide) 560 Verde CSi (silicon carbide) 480 azul Color V D [V] IR 1,6 IR 1,6 Rojo 1,8 2,1 Amarillo 2,4 Verde 2,6 azul 3,0 3,5 blanco 3,0 3,5 UV 3,5
FIUNER DAE IDE Tipos de LED Miniatura Empaques en SMD, 2 mm, 3 mm, 5 mm, 10 mm, otros LEDs de 5 y 12 V: Incluyen una resistencia en el empaque Flashing: incluyen un oscilador en el empaque De alta potencia: manejan más de 1 A (uso industrial) Multicolores: de 2 o 3 colores
FIUNER DAE IDE Identificación de los terminales sign + terminal anode (A) cathode (K) leads long short exterior round flat interior small large
FIUNER DAE IDE LEDs redondos de 3 y 5 mm LEDs bicolores LED de alta potencia
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FIUNER DAE IDE Fotodiodo i d V d i d Oscuridad Intensidad de luz creciente V d Parámetros principales Corriente oscura (dark current): corriente en inversa cuando no hay luz incidente. Sensibilidad: incremento de intensidad al polarizar el dispositivo en inversa por unidad de intensidad de luz (expresada en luxes o en mw/ cm2).
FIUNER DAE IDE Aplicaciones Control Sensores Fibras ópticas Alarmas Material Silicon 190 1100 Germanium 400 1700 Indium gallium arsenide 800 2600 Wavelength range (nm) Lead sulfide <10003500 Densitómetro digital (Fluke Biomedical)
FIUNER DAE IDE Ejemplo de aplicación Monitor de saturación de O 2 en sangre (Oxímetro de pulso)
FIUNER DAE IDE Diodo zener Parámetros principales V Z : Voltaje de zener (2 a 200V) I ZM : Corriente máxima I Zm : Corriente mínima Aplicación típica: estabilización de voltajes
FIUNER DAE IDE Diodo Schottky Juntura metalsemiconductor Parámetros principales Voltaje de conducción: 0.250.3 V Frecuencia típica: 20 GHz VPI: 50 V Corriente nominal: 75 A Aplicaciones Alta frecuencia Electrónica digital à transistores Schottky
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FIUNER DAE IDE Diodo varicap (varactor) P Polarización inversa N + + + + + + + + + + + + + + + + + A + + + + + + + + + + + + + + + + + + A + A + + + + + + + + + + + + + + + + A A + + + + + + + + + + + + + + + A A A A ++ ++ A A + + + + + ++ ++ A A + + + + ++ ++ + A A + + ++ ++ A + A + + + + ++ + ++ ++ A A + + + + + + + + + V