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Introducción a la Electrónica. Dispositivos semiconductores. Semiconductores y su evolución. Millikan - la naturaleza discreta de la carga eléctrica Planck - la teoría quántica Einstein – Efecto fotoeléctrico Schrondinger – Ecuación de ondas … 1948, laboratorios Bell – primer transistor - PowerPoint PPT Presentation
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12/08/2008 Introducción a la Electrónica - 2008
Introducción a la Electrónica
Dispositivos semiconductores
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Semiconductores y su evolución
Millikan - la naturaleza discreta de la carga eléctrica Planck - la teoría quántica Einstein – Efecto fotoeléctrico Schrondinger – Ecuación de ondas … 1948, laboratorios Bell – primer transistor
• Germanio
• Ganancia de voltaje de 100
• Frecuencias de audio 1956 – Premio Nobel !! Precio de un transistor – 10 $
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Semiconductores y su evolución
1961 – Primer circuito integrado
• 4 transistores + 2 resistencias 1969 – Primer amplificador operacional
Costo: 75 $ 1967 – Memoria de 64 bits 1968 – Memoria de 1024 bits 1994 – Memoria de 256 megabits 2008 - ??
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Semiconductores - Introducción
Existen dos mecanismos asociados al transporte de partículas cargadas en un sólido
Corriente de desplazamiento
Corriente de difusión
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Semiconductores - Introducción
Corriente de desplazamiento
Movimiento aleatorio con un campo eléctrico aplicado
Movimiento aleatorio sin un campo eléctrico aplicado
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Semiconductores - Introducción
Conductividad
Corriente
Velocidad de desplazamiento promedio
Densidad de corriente
Conductividad
Número de portadores de carga
Movilidad
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Semiconductores - Introducción
Conductividadplatacobre
aluminiografito
germanio
silicioAgua destilada
baquelita
mica
cuarzo
conductores
semiconductores
aisladores
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Semiconductores - Introducción
Corriente de difusión
• Si existe una elevada concentración de partículas en una región comparada con otra, existirá un desplazamiento neto de partículas que ecualizara la concentración luego de un periodo de tiempo
Concentración inicial Concentración final
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Semiconductores - Introducción
Corriente de difusión
Relación de Einstein
Flujo de partículas
Constante de difusión
Densidad de corriente (electrones)
Densidad de corriente (cargas positivas) Las constantes de difusión y la movilidad están relacionadas. Ambas constantes relacionan el movimiento de las partículas y las colisiones
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Teoría de bandas de energía
Atomo aislado de hidrogeno Modelo de Bohr:la energia de los electrones en sistemas atomicos esta restringida a un limitado set de valores.
Cada nivel de energia corresponde a una orbita del electron alrededor del nucleo•El desplazamiento de un electron de un nivel
discreto de energia hacia otro de mayor nivel requiere una cantidad de energia extra.•Un electron desplazandose hacia un nivel de energia inferior, libera una cantidad discreta de energia
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Teoría de bandas de energía
Un solido esta formado por diversos atomos cuyos niveles de energia interactuan entre si, resultando en un acoplamiento de los niveles discretos de energia formando bandas de niveles de energia permtidos
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Teoría de bandas de energía
Diagrama de bandas de energia
Banda de valencia: los electrones
no son moviles, no contribuyendo
a la conduccion de corriente electrica. Banda de conduccion: es la banda ubicada sobre la banda de
valencia. Se encuentra parcialmente llena. Excitando con una pequena cantidad de energia, se puede iniciar el desplazamiento de los electrones -> corriente electrica.
Banda prohibida: esta ubicada entre la banda de conduccion y la banda de valencia. Son niveles continuos de energia que no pueden ser ocupados por portadores de carga.
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Teoría de bandas de energía
Clasificación de los materiales
aislador
semiconductor
conductor
•Banda de conducción vacía
•Banda de valencia llena
•Gran cantidad de energía es requerida para desplazar un electrón de la banda de valencia a la de conducción
•Las bandas de conducción y de valencia se solapan.
•Existe un gran número de electrones en la banda de conducción a temperatura ambiente.
•Existen electrones en la banda de conducción a temperatura ambiente.
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Teoría de bandas de energía
Clasificación de los materiales
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Semiconductores: Silicio
Estructura cristalina
• La distribución espacial de los átomos dentro de un material determina sus propiedades.
• El silicio puede existir en tres formas diferentes
• Amorfo -> grafito
• Policristalino
• Cristalino -> diamante
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Semiconductores: Silicio
Estructura cristalina
Átomo de silicio
Enlaces covalentes
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Semiconductores: Silicio
Portadores
Sin portadores
electrón
laguna
Cuando un enlace de Si-Si es roto, el electrón asociado es un portador de corriente.
Equivalentemente, la excitación de un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción crea portadores -> Electrones en la banda de conducción son portadores
Remover un electrón de la banda de valencia crea un estado vacío.
Este estado vacío, es un segundo tipo de portadores denominado lagunas
Electrones y lagunas son portadores en los semiconductores
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Semiconductores: Silicio
Generación de pares electrones-lagunas
A elevar la temperatura algunos enlaces covalentes son rotos, y los electrones asociados al enlace son libres de desplazarse bajo la influencia de un campo eléctrico externo.
Simultáneamente, la ruptura del enlace, deja una carga positiva neta en la estructura de valencia -> lagunas
Concentración de electrones
Concentración de lagunas
intrínseco
Movilidad de los electrones
Movilidad de las lagunas
Corriente en un semiconductor
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Semiconductores: Silicio
Circulación de corriente en un semiconductor
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Silicio con dopaje
El agregado de un pequeño porcentaje de átomos foráneos en la estructura cristalina del silicio produce importantes cambios en sus propiedades eléctricas. • Material tipo N: Dopantes con valencia +5 son
utilizados.
• 4 electrones de la banda de valencia forman enlaces covalentes con los átomos vecinos de silicio. El electrón restante esta débilmente ligado al átomo de impureza, actuando como un electrón libre.
• Impurezas donoras: donan un electrón a la banda de conducción.
• Fósforo, arsénico, antimonio
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Silicio – Tipo N
Concentración de átomos donores
Conductividad
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Silicio – Tipo P
TIPO P
• Dopantes con valencia +3 son empleados: Boro, Galio, Indio.
• Para completar el enlace covalente con átomos de silicio, un electrón es atraído de la banda de valencia dejando una laguna.
• impureza aceptora: acepta un electrón de la banda de valencia
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Semiconductores
Terminología
• Semiconductor intrínseco: • semiconductor sin el agregado de impurezas
• Donor:• Átomos de impurezas que incrementan la concentración de
electrones
• Aceptor• Átomos de impurezas que incrementan la concentración de
lagunas
• Portadores mayoritarios:• Los portadores mas abundantes en un semiconductor.
Electrones en material tipo N y lagunas en material tipo P.
• Portadores minoritarios:• Los portadores menos abundantes en un semiconductor.
Electrones en material tipo P y lagunas en material tipo N
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Juntura P-NLa concentración de átomos donores es mayor que la de aceptores
A temperatura ambiente,
•Cada electrón de los átomos donores tiene suficiente energía para escapar de su átomo y puede desplazarse libremente.
•Los átomos aceptores han adquirido un electrón de la banda de valencia, dejando lagunas que circulan libremente
aislados
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Juntura P-N en equilibrio
Un diodo de juntura consiste de un material Semiconductor tipo P en contacto con un material N.
•Consideraciones•Region P – N_A atomos aceptores•Region N – N_D atomos donores
N_D>N_A•No existe potencial externo aplicado
Electrones
Lagunas
Región N: Los electrones cercanos a la juntura se difunden desde la región con alta concentración de electrones (región N) a la región con baja concentración de electrones (region P).
Región P: Las lagunas se difunden hacia la región N.
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Juntura P-N en equilibrio
Los electrones que se difunden a la región P dejan átomos ionizados + en el lado N.
Las lagunas dejan átomos ionizados – en la región P.
Región de depleción : capa de iones sin neutralizarDensidad
de cargaCampo eléctrico
potencial
El campo eléctrico desplaza los electrones fuera de la región de depleción
Corriente de desplazamiento
Corriente de difusión
Corriente de desplazamiento
N P N P=
EQUILIBRIO : otros electrones de la región N no pueden migrar hacia la región P porque son repelidos por los iones negativos de la región P y atraídos por los iones negativos de la región N
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Juntura PN en equilibrioCampo eléctrico
potencial
Concentración de portadores
Niveles de energía
Una barrera de potencial es generada para mantener el equilibrio
Potencial de contacto
Representa la barrera de potencial que debe ser sobrepasada para que un portador de carga se difunda a través de la juntura
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Juntura PN – polarización directa
Al ser polarizada directamente la juntura PN, el potencial de juntura disminuye.
Los electrones se difunden hacia la región P y las lagunas hacia la región N
La corriente de difusión es la dominante
Corriente de difusiónCorriente de desplazamiento
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Juntura PN – polarización inversa
La barrera de potencial aumenta.
El campo electrico se intensifica.
La capa de depleción se ensancha.
La corriente de difusión se hace cercana a cero
Corriente de difusiónCorriente de desplazamiento
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Juntura PN
EQUILIBRIO
Polarización directa
Polarización inversa
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
El diodo
• La corriente de lagunas y la corriente de electrones son asumidas como corrientes de difusión.
Corriente de saturación inversa : es función del área de juntura, de las constantes de difusión, concentración de equilibrio y longitud de difusión de los portadores minoritarios
Tensión de ruptura inversa
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Modelo del diodo
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
El diodo – Efecto zener
Si un voltaje negativo suficientemente elevado es aplicado, la juntura PN experimentara una rápida avalancha y conducirá en la dirección inversa.
Los electrones de valencia que son liberados bajo la influencia del campo eléctrico aplicado, son acelerados colisionando con otros electrones creando una avalancha.
En esta región, pequeños cambios en el voltaje aplicado pueden causar grandes variaciones de corriente.
Modificando el espesor de la capa donde el voltaje es aplicado, el efecto zener puede ocurrir a tensiones inversas desde los 4 volts hasta cientos de volts.
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
El diodo – Aplicaciones
Rectificadores Reguladores Circuitos de enclavamiento Circuitos lógicos LEDs, fotodiodos
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Rectificadores
Rectificador de media onda
Rectificador de onda completa
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Rectificadores
Rectificador de onda completa
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Rectificadores con filtro RC
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Rectificadores con filtro RC
Rizado en filtros RC (ripple)
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Rectificadores
Ejemplo: Cargador de batería
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Reguladores
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Recortadores
20/04/23 Introducción a la Electrónica 2008
Circuitos lógicos con diodos
