Estructura interna de los dispositivos electrónicos La ...jjalvarez/asignaturas/descargados... · Unidad 3. Semiconductores y teoría de diodos DTE - UPCT 16 3.3.1. Símbolo, curvas

Electrónica - Francisco J. Ortiz

Unidad 3. Semiconductores y teoría de diodos DTE - UPCT

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3.1. Conceptos básicos sobre semiconductores

Estructura interna de los dispositivos electrónicosLa mayoría de los sistemas electrónicos se basan en dispositivos semiconductoresResistencia: R=ρL/SMateriales sólidos:

Conductores: 10-4 < ρ Ωmm2/m• Tienen una nube de electrones libres (electrones de valencia)

Aislantes: ρ > 104 Ωmm2/m• Electrones de vvalencia ligados firmemente al núcleo de los átomos

Semiconductores: 10-4 < ρ < 104 Ωmm2/m• A muy bajas temperaturas aislante. A temperaturas normales = conductor pobre

En electrónica sólo importa el orbital exterior: orbital de valencia



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Mejores conductores (Ag, Cu, Au): 1 electrón de valenciaMejores aislantes: 8 electrones de valenciaMejores semiconductores: 4 electrones de valenciaGermanio (Ge), Silicio (Si), Arseniuro de GalioEnlace covalente. Cristales de silicioLos átomos de un cristal vibran a temperaturas mayores al 0 absolutoA más altas temperaturas aparecen electrones y huecosRecombinación: Electrón y hueco se unenTiempo de vida: Entre creación y desaparición de un electrón libre



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Semiconductor intrínseco: Semiconductor puroDos tipos de flujo:

Flujo de electronesFlujo de huecos

+

+

+

+

-

-

-

-



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Dopado o Dopaje: Añadir deliberadamente átomos de impurezas a un cristal intrínseco para modificar su conductividad eléctricaUn semiconductor dopado se llama semiconductor extrínsecoHay dos tipos de semiconductores extrínsecos:

Tipo n: se le añaden impurezas donadoras (electrones), p.ejem., P(5 e- valencia) al Si

• Los electrones (portadores mayoritarios) superan a los huecos (portadores minoritarios)

• Todos los átomos de aceptador ionizados (-)Tipo p: se le añaden impurezas receptoras (huecos), p.ejm., B (3e-

valencia) al Si• Los huecos (mayoritarios) superan a los electrones (minoritarios)• Todos los átomos de donador ionizados (+)

Conductividad extrínseca: Estos semiconductores dopados presentan algo más de conductividad




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3.2. La unión pn. Polarización directa e inversa

Por sí mismo un semiconductor tipo n tiene la misma utilidad que una resistencia de carbón.Pero ocurre algo distingo cuando se dopa un cristal mitad n y mitad pRepresentación:

Signo + con círculo: átomo pentavalenteSigno - electrón con el que contribuye



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Zona de deplexión y barrera de potencial



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Polarización directaFlujo de electrones libres

Polarización inversaEnsanchamiento de la zona de deplexiónCorriente de portadores minoritarios. La producción térmica de electrones libres y huecos en la zona de deplexión produce una corriente inversa de saturación minoritariaCorriente superficial de fugas. Producida por impurezas en la superficie del cristal e imperfecciones en su estructura interna

RupturaSi se aumenta la tensión inversa se producirá la ruptura del diodo (aprox. 50 V)Efecto avalancha. Los minoritarios chocan y hacen saltar electrones de valencia



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3.3. Características del diodo de unión



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3.3.1. Símbolo, curvas y modelos equivalentes

Tipos básicos de diodos semiconductores:Diodos rectificadores

• Rectificación de CA/CCDiodos de tratamiento de señal (RF)

• Etapas moduladoras, demoduladoras, mezcla y limitación de señalesDiodos de capacidad variable (varicap)

• Sintonización de equipos de emisión/recepciónDiodos Zener

• Fuentes de alimentación, reguladores, limitadores y recortadores de tensiónFotodiodos

• Sensores, comunicaciones, aislamiento de señalDiodos luminiscentes (LED)

• Señalización, comunicaciones infrarrojasDiodos de potencia

• Rectificación y tratamiento de señales eléctricas



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Circuito básico de diodo

I= corriente por la unión

e= carga electrónica

K=Cte de Boltzmann

T= temperatura absoluta

n= 1 para Ge y 1.3 para Si




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Tensión Umbral Vk

Varía según semiconductorGe= 0.3 VSi = 0.7 VSchotky= 0.2 VLeds = 1.2 - 1.9 V

Resistencia interna. Función del nivel de dopado y del tamaño de las zonas p y n.Suele ser menor de 1 Ω

Máxima corriente continua. Según fabricante (unos 135 mA)Disipación de potencia. PD = VDID




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3.3.2 Cálculo gráfico del punto de funcionamiento

Ejemplos sencillosDetección de averíasCálculo mediante recta de carga



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3.4. Cómo leer una hoja de características

En cualquier hoja de características proporcionada por un fabricante DATABOOK aparecerán estos apartados:

Características generales (Features)Máximos absolutos (Absolute Maximum Ratings)Especificaciones eléctricas (Electrical Specifications)Curvas características (Typical Performance Curves)

Por ejemplo, para un diodo nos encontramos, entre otros:Voltaje máximo repetitivo inverso (Maximum Peak Repetitive Reverse Voltage)Voltaje eficaz máximo de alimentación (Maximum RMS Input supply voltage)Corriente máxima directa media (Maximum Average Forward Current)Corriente máxima de pico no repetitiva (Maximum Peak Surge Forward Current)



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3.4. ¿Cómo leer una hoja de características?

Buena parte de esa información se utiliza sólo en diseños avanzados de circuitosLa información explicada en este tema se puede encontrar en los parámetros

Tensión inversa de ruptura (Peak repetitive reverse voltage)Corriente máxima de polarización directa (Average rectified current)Caída de tensión en polarización directa (Maximum forward voltage)Corriente inversa máxima (Maximum reverse current)



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3.5. Diodos Zéner

Diodo Zener



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3.5. Diodos Zéner

loadzenertotal III +=

Rizado = 0

Pero menor rendimientoFuente de tensión continua regulada con ZenerFuente de tensión continua regulada con Zener



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3.5. Diodos Zéner

Tensión zener e impedancia zener.

Corriente zener de test.

Impedancia zener y corriente zener en la zona del codo.

Tensión y corriente zener en la zona inversa.

Sobrecorriente máxima.

Hoja de características



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3.6. Otros tipos de diodos

La rectificación y estabilización de tenisón no es la única aplicación de los diodosOtras aplicaciones:

Indicadores, señalizadores (diodos LED)Aislamiento de señales de entrada (optoacopladores)Comunicaciones por fibra óptica

Diodos optoelectrónicosDiodos SchottkyVaricap



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3.6. Otros tipos de diodos

Dispositivos optoelectrónicosLEDsFotodiodos OptoacopladoresDiodos láser ( reproductores CD e impresoras láser)

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