electrÓnica i
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ELECTRÓNICA I. Tema 2: Semiconductores El diodo. Docente : Franco Rivero Nolasco. ATOMO. FUERZA. ESTRUCTURA CRISTALINA. Docente : Franco Rivero Nolasco. Comentarios sobre conductores, aislantes y semiconductores. Al disminuir la Temperatura es mas conductor. Cobre Conductor. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
ELECTRÓNICA I
Tema 2: Semiconductores
El diodo
Docente : Franco Rivero Nolasco
ESTRUCTURA CRISTALINAESTRUCTURA CRISTALINA
Docente : Franco Rivero Nolasco
Cobre Conductor
Diamante Aislante
Silicio Semiconductor
Al disminuir la Temperatura es menos conductor
Al disminuir la Temperatura es mas conductor
Comentarios sobre conductores, aislantes y semiconductores
¿Para que sirve un trozo de material que es un mal conductor?
Docente : Franco Rivero Nolasco
Los semiconductores mas empleados para la fabricación de circuitos integrados son El Silicio y Germanio, además requieren que se les añada átomos adicionales De Boro, Indio, Fósforo y Antimonio. Estos átomos se unen entre si formando una redcristalina
Si 14
Ge 32
Si 14
Ge 32
RED DIAMANTE DELGRUPO IVRED DIAMANTE DELGRUPO IV
Docente : Franco Rivero Nolasco
Introducción a la física de estado sólido: semiconductores
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si Si
Si E
Si: silicio
Grupo IV de la tabla periódica
Docente : Franco Rivero Nolasco
Introducción a la física de estado sólido: semiconductores
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si Si
Si E
+
Electrón Hueco
Enlace covalenteEnlace covalente
Docente : Franco Rivero Nolasco
Los Átomos de una sustancia se encuentran en constantes oscilacionesdesordenadas denominadas “Movimentermico” que crece con la Temp.Los Átomos de una sustancia se encuentran en constantes oscilacionesdesordenadas denominadas “Movimentermico” que crece con la Temp.
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si Si
Si
+
Semiconductor intrínsecoSemiconductor intrínseco: acción de un campo eléctrico: acción de un campo eléctrico
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
+
Introducción a la física de estado sólido: semiconductores
Semiconductor intrínseco: acción de un campo eléctrico
Conclusiones:
La corriente en un semiconductor es debida a dos tipos de portadores de carga: HUECOS y ELECTRONES
La temperatura afecta fuertemente a las propiedades eléctricas de los semiconductores:
mayor temperatura más portadores de carga menor resistencia
Introducción a la física de estado sólido: semiconductores
Semiconductor extrínseco
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si Si
Si
Sb: antimonio
Impurezas del grupo V de la tabla periódica
Sb
: TIPO N
Es necesaria muy poca energía para ionizar el átomo de Sb
+
A temperatura ambiente todos los átomos de impurezas se encuentran ionizados
Docente : Franco Rivero Nolasco
Introducción a la física de estado sólido: semiconductores
Semiconductor extrínseco: TIPO N
Sb
Sb
SbSb
Sb
Sb
SbSb
Sb
Sb
Sb
Sb
Sb
Sb
Sb
Sb
Impurezas grupo V
80ºC
+
+
++
+
+
++
+
+
+
+
+
+
+
+
Electrones libres Átomos de impurezas ionizados
Los portadores mayoritarios de carga en un semiconductor tipo N son electrones libres
Docente : Franco Rivero Nolasco
Introducción a la física de estado sólido: semiconductores
Semiconductor extrínseco
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si Si
Si
Al: aluminio
Impurezas del grupo III de la tabla periódica
Al
: TIPO P
Es necesaria muy poca energía para ionizar el átomo de Al
-
A temperatura ambiente todos los átomos de impurezas se encuentran ionizados
+
Docente : Franco Rivero Nolasco
Introducción a la física de estado sólido: semiconductores
Semiconductor extrínseco: TIPO P
Al
Al
AlAl
Al
Al
AlAl
Al
Al
Al
Al
Al
Al
Al
Al
Impurezas grupo III
80ºC
-
-
--
-
-
--
-
-
-
-
-
-
-
-
Huecos libres Átomos de impurezas ionizados
Los portadores mayoritarios de carga en un semiconductor tipo P son Huecos. Actúan como portadores de carga positiva.
La unión P-N
La unión P-N en equilibrio
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
- +
+
+ + +
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Semiconductor tipo P Semiconductor tipo N
La unión P-N
La unión P-N en equilibrio
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Semiconductor tipo P Semiconductor tipo N
-
-
-
- +
+
+ +
+
+-
Barrera de Potencial
Al unir un semiconductor tipo P con uno de tipo N aparece una zona de carga espacial denominada ‘barrera de potencial’. Que actúa como una barrera para el paso de los portadores mayoritarios de cada zona.
La unión P-N
La unión P-N polarizada inversamente
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
++
+
+
+
-
-
-
- +
+
+ +
+
-
-
-
-
+
+
+
+
+
La zona de transición se hace más grande. Con polarización inversa no hay circulación de corriente.
P N
La unión P-N
La unión P-N polarizada en directa
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
++
+
+
+
-
-
-
- +
+
+ +-
-
-
-
+
+
+
+
+
La zona de transición se hace más pequeña. La corriente comienza a circular a partir de un cierto umbral de tensión directa.
P N
+
La unión P-N
La unión P-N polarizada en directa
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
++
+
+
+
-
-
-
- +
+
+ +-
-
-
-
+
+
+
+
+
La recombinación electrón-hueco hace que la concentración de electrones en la zona P disminuya al alejarse de la unión.
P N
+
Concentración de huecos Concentración de electrones
La unión P-N
Conclusiones:
Aplicando tensión inversa no hay conducción de corriente
Al aplicar tensión directa en la unión es posible la circulación de corriente eléctrica
P N
DIODO SEMICONDUCTOR
INCISO: Representación del componentes eléctricos en diagrama V-I
+
-
V
I I
V
Corto(R = 0)
+
-
V
I I
V
Abierto(R = ∞)
+
-V
I I
VBatería
+
-
I I
VResistencia(R)
V
I+
-V
VFuenteCorriente
I
p n
ánodo cátodo
A K
Símbolo
IS = Corriente Saturación InversaK = Cte. Boltzman VD = Tensión diodoq = carga del electrónT = temperatura (ºK)ID = Corriente diodo
Silicio Germanio
DIODO REAL
1TK
qV
SD
D
eII
V [Volt.]
0
1
0.25-0.25
i [mA]
0.5
Ge Si
V [Volt.]
0
1
0.25-0.25
i [mA]
0.5
Ge Si
0 1-4
30
i [mA]
V [Volt.]
GeSi
DIODO REAL (Distintas escalas)
-0.8
-0.5 0
i [A]
V [Volt.]
-10
-0.5 0
i [pA]
V [Volt.]
GeSi
Ge: mejor en conducciónSi: mejor en bloqueo
DIODO: DISTINTAS APROXIMACIONES
I
V
Solo tensión de codoGe = 0.3Si = 0.6
I
V
Tensión de codo yResistencia directa
I
V
Ideal
I
V
Curva real(simuladores, análisis gráfico)
DIODO: LIMITACIONES
I
V
Corriente máxima
Límite térmico, sección del conductor
Tensión inversa máxima
Ruptura de la Unión por avalancha
600 V/6000 A200 V /60 A 1000 V /1 A
Docente : Franco Rivero Nolasco
VR = 1000V Tensión inversa máximaIOMAX (AV)= 1A Corriente directa máximaVF = 1V Caída de Tensión directaIR = 50 nA Corriente inversa
VR = 100V Tensión inversa máximaIOMAX (AV)= 150mA Corriente directa máximaVF = 1V Caída de Tensión directaIR = 25 nA Corriente inversa
DIODO: Parámetros facilitados por fabricantes
Vd
id
iS
VR
IOmax
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.
Hoja de características de un diodoTensión inversa de rupturaCorriente máxima con polarización directaCaída de tensión con polarización directaCorriente inversa máxima
Hoja de características de un diodoTensión inversa de rupturaCorriente máxima con polarización directaCaída de tensión con polarización directaCorriente inversa máxima
* Corriente máxima con polarización directa* Corriente máxima con polarización directa
* Tensión inversa de ruptura* Tensión inversa de ruptura
Estos tres valores especifican la ruptura en ciertas condiciones de funcionamiento. Lo importante es saber que la tensión de ruptura para el diodo es de 50 V,
Docente : Franco Rivero Nolasco
* Corriente máxima con polarización directa* Corriente máxima con polarización directa
Indica que el 1N4001 puede soportar hasta 1 A con polarización directa cuando se le emplea como rectificador. Esto es, 1 A es el nivel de corriente con polarización directa para el cual el diodo se quema debido a una disipación excesiva de potencia. Un diseño fiable, con factor de seguridad 1, debe garantizar que la corriente con polarización directa sea menor de 0,5 A en cualquier condición de funcionamiento.Los estudios de las averías de los dispositivos muestran que la vida de éstos es tanto más corta cuanto más cerca trabajen de las limitaciones máximas. Por esta razón, algunos diseñadores emplean factores de seguridad hasta de 10:1, para 1N4001 será de 0,1 A o menos.
Docente : Franco Rivero Nolasco
* Caída de tensión con polarización directa* Caída de tensión con polarización directa
Estos valores están medidos en alterna, y por ello aparece la palabra instantáneo en la especificación. El 1N4001 tiene una caída de tensión típica con polarización directa de 0,93 V cuando la corriente es de 1 A y la temperatura de la unión es de 25 ºC.
* Corriente inversa máxima * Corriente inversa máxima
En esta tabla esta la corriente con polarización inversa a la tensión continua indicada (50 V para un 1N4001).
Comprobación y detección de averíasComprobación y detección de averías
En el uso del óhmetro para probar diodos lo único que se desea saber es se el diodo tiene una resistencia pequeña con polarización directa y grande con polarización inversa. Los problemas que pueden surgir son:
Resistencia muy pequeña en ambas direcciones: diodo en cortocircuito. Resistencia muy grande en ambas direcciones: diodo en circuito abierto. Resistencia pequeña en inversa: diodo con fugas.
En el uso del óhmetro para probar diodos lo único que se desea saber es se el diodo tiene una resistencia pequeña con polarización directa y grande con polarización inversa. Los problemas que pueden surgir son:
Resistencia muy pequeña en ambas direcciones: diodo en cortocircuito. Resistencia muy grande en ambas direcciones: diodo en circuito abierto. Resistencia pequeña en inversa: diodo con fugas.
Cómo calcular la resistencia interna rBCómo calcular la resistencia interna rB
Donde V2 es VF y V1 es VDDonde V2 es VF y V1 es VD
Docente : Franco Rivero Nolasco