Electrónica I1er Parcial

Semiconductores

Diodo

P N

Diodo Zener

Materiales Intrínsecos

Son todos aquellos semiconductores que han sido cuidadosamente refinados para reducir las impurezas a un nivel muy bajo, en esencia tan puro como se lo pueda lograr por medio de la tecnología moderna.

Los electrones libres en este material se los denomina portadores intrínsecos.

Materiales Extrínsecos

Un material semiconductor que haya sido sujeto al proceso de dopado se lo denomina material extrínseco.

Existen dos tipos de materiales para la fabricación de dispositivos semiconductores, tipo P y tipo N , ambos materiales se forman mediante la adición de un número predeterminado de átomos de impurezas.

a) Material Tipo P

Este material se forma mediante el dopado de un cristal puro de germanio o de silicio con átomos de impurezas que poseen 3 electrones de valencia.

Los elementos que utilizan con mayor frecuencia para este propósito son el boro, indio y galio.

b) Material Tipo N

Este material se crea a través de la introducción de elementos de impureza que poseen cinco electrones de valencia, tales como el antimonio, arsénico y fósforo.

Elementos de dos Terminales

1) DIODO

Ideal

RealSimbología:

Ánodo Cátodo

+ -+ Vak-

Vd

Construcción:

A

k

P NA k

+ -

-Diodos Ideales

Puede actuar de dos formas:

-Cortocircuito

-Circuito Abierto

Vd= Vak>0

Id>0

Vak<0

-Vak=Vak

Diodo está encendido

Diodo está apagado

Para polarizar un diodo hay que conectarles fuentes independientes DC, haciendo esto podemos conocer los parámetros del diodo que son Id, Vd.

V10

di

k1

Ejemplo 1:

V10

di

k1

dV

0

101

10

akd

d

VV

mAk

i

VVd

)(mAid

10

Curva Característica del Diodo Ideal.

V10

di

k1

dV

Ejemplo 2:

V10

di

k1

dV

VV

mAi

d

d

10

0

Ejemplo 3:

V20k2

k2 k1

V5

1D

D1 conduce o no? Por qué?

No usar métodos generalizados.

Hallando Vth

VVkk

kV

Th

Th

1022

220

Hallando Rth

kR

kkR

Th

Th

1

22

k1

V5

1D

VVth 10 kRth 1

di

Asumo que D1 “ON”

05.22

510

mAik

iI

d

d

"_"1 OND

VVd 0 (Cortocircuito)

Ejemplo 4:

V20k2

k2 k1

V12

1D

D1 conduce o no? Por qué?

No usar métodos generalizados.

Hallando Vth

VVkk

kV

Th

Th

1022

220

Hallando Rth

kR

kkR

Th

Th

1

22

k1

V12

VVth 10 kRth 1

di

akV

mAid 0

?akV

VV

V

ak

ak

2

01210

"_"1 OFFD

Ejercicio 5

Verificar si conducen los diodos ideales.

V10

1D

2D

k1

k1

I1DI 2DI

Ejercicio 5

Verificar si conducen los diodos ideales.

V10

1D

2D

k1

k1

IComo D1 es ideal

mAk

VI

VVak

101

10

01

Como D2 es ideal

mAk

VI

VV

D

ak

101

10

0

2

2

onD2

020

1010

1

1

21

mAI

I

III

D

D

DD

onD1

1DI 2DI

V10

2D

k1

k1

I1DI 2DI

Ejercicio 6

Verificar si conducen los diodos ideales.

V10

1D

2D

k1

k1

I1DI 2DI

Ejercicio 6

Verificar si conducen los diodos ideales.

V10

1D

2D

k1

k1

IComo D1 es ideal

mAk

VI

VVak

101

10

01

Como D2 es ideal

AID 02

offD2

010

100

1

1

21

mAI

I

III

D

D

DD

onD1

1DI 2DI

k1

I1DI 2DI

k1

V10

Ejemplo 7:

k1

VV

10

10

t

t

t

VVd

mAid

Ejemplo 7:

k1

VV

10

10

mAid

t

t

t

VVd

Semiciclo Positivo

k1

dI

Semiciclo Negativo

k1 dV

pd

pd

d

mAik

Vi

VV

101

10

0

pd

d

VV

Ai

10

0

""onD

""offD

-CURVA CARACTERISITCA PARA EL Diodo Real

mAid

VVd3.0 7.0

Ge Si

Zona de ConducciónVoltaje

Inverso de Pico

Zona de Avalancha

Zona de Polarización Inversa

Aa 101

Aa 21

Corriente de Saturación

Voltaje de Umbral

)º25( CT

Polarización del Diodo Real

I. Directa

Al aplicar un voltaje positivo se reduce la zona de agotamiento y el intercambio produce una corriente eléctrica en dicha zona.

A k

fV

dI

fI

Zona de Agotamiento

Zona de Agotamiento Disminuye

1K

d

T

kV

SD eII Zona de Conducción

273)(

11600

_:

CTTn

k

SaturaciónCorrienteI

k

S

ST

kV

SD IeII k

d

dV dV

dIdI

Niveles Altos de ID

tanto Ge, Si

1 n

Niveles Bajos de ID

Sin

Gen

,2

,1

• Para valores positivos de voltaje del diodo y corriente del diodo la gráfica crecerá de la misma manera que crece para una función exponencial y=eX.

•Para valores negativos de Vd, el primer término disminuirá rápidamente debajo de Is dando como resultado Id=-Is.

•Para cuando el voltaje del diodo es igual a cero entonces la corriente del diodo también va a ser igual a cero.

•La ruptura de las características en voltaje de diodo igual a 0V se debe únicamente al cambio drástico en la escala de nano amperios a micro amperios.

Zona Zener

En la gráfica de la curva característica de los diodos reales se observa que existe un punto en el cual la aplicación de un voltaje demasiado negativo dará como resultado un agudo cambio en las características.

El voltaje de polarización inversa que da como resultado este cambio drástico se lo llama potencial zener y se le da el símbolo VZ.

II. Inversa

A k

fV

sI

fI

Zona de Agotamiento

IsI

Zona de agotamiento aumenta

Al aplicar un voltaje negativo aumenta la zona de agotamiento y los portadores mayoritarios logran ir hacia el otro extremo y en cambio una pequeña cantidad de portadores mayoritarios logran irse al material tipo P logrando formar una corriente.

La corriente máxima que puede adquirir un diodo que ha sido conectado con voltaje negativo, se denomina corriente de saturación inversa Is.

III. No hay Polarización

A k

dIZona de Agotamiento

En ausencia de voltaje de polarización aplicada, el flujo neto de la carga en cualquier dirección para un diodo semiconductor es cero

Silicio vs Germanio

1.- Los valore de VIP para el silicio pueden encontrarse en la vecindad de 1000 V, mientras que el valor máximo para el germanio está alrededor de los 400V.

2.- El silicio puede utilizarse para aplicaciones en las cuales la temperatura puede aumentar cerca de los 200 ºC, mientras que el germanio soporta un valor máximo de 100ºC.

3.- La desventaja del silicio comparada con el germanio es el mayor voltaje de polarización directa que se requiere para alcanzar la región de conducción.

El voltaje umbral para el Silicio VT= 0,7 voltios.

El voltaje umbral para el Germanio VT= 0,3 voltios

4.- Mientras más cercana esté la curva al eje vertical, más cerca de lo ideal está el dispositivo, sin embargo las otras características del silicio comparadas con las del germanio, lo hacen ser el elegido en la mayor parte de unidades disponibles en el mercado.

Niveles de Resistencia

Tipo Ecuación Caract. Especiales Determinación Gráf.

D

DD I

VR

Qdd

dd I

mV

I

V 26

PuntoI

V

d

dav /

puntoa _

Definida como un punto en las características

Definida por una línea tangencial en el pto Q.

Definida por una línea recta entre los límites de la operación

][VVd

Id QPto.

][VVd

][mAId

][VVd

][mAId

][mAId

Vd

QPto. Id

Vd

Id

Vd

DC ó Estática

AC ó Dinámica

AC Promedio

Procedimiento Matemático

DKd

SD

SDKd

T

kV

SK

T

kV

KS

d

Tk

kVd

dS

d

d

d

Tk

kVd

SD

d

IT

k

IIcomo

IIT

k

eIT

ke

T

kI

edV

dI

dV

dI

eII

dId

dVd

Id

Vd

K

d

K

d

1

:

1

1

11

1

11600

1,11600

k

nn

kº298

º273º25

K

K

T

T

DQ

d

DQ

d

DQ

d

I

mVr

I

I

26

93.381

298

116001

Es importante considerar que esta última ecuación es exacta solo para valores de ID en la zona de crecimiento vertical de la curva.

Todos los cálculos de resistencia que se han determinado han sido definidos para la unión PN y no incluye la resistencia del material semiconductor (llamada resistencia del cuerpo) y la resistencia que representa la conexión entre el material del semiconductor y el conductor metálico exterior, llamada resistencia de contacto.

Estos dos niveles de resistencia se agrupan en una resistencia llamada rB, modificando a la ecuación última en:

B

DQ

d I

mVr

26

IMPORTANTE

Circuitos Equivalentes

Un circuito es una combinación de elementos que se eligen en forma adecuada para representar la mejor posible las características terminales reales de un dispositivo, sistema o similar en una región de operación en particular.

Circuitos Equivalentes para Diodos

I. Circuitos Equivalentes de Segmentos Lineales

• Una técnica para obtener un circuito equivalente para un diodo consiste en aproximar las características del dispositivo mediante segmentos lineales.

• Los segmentos resultantes son lo suficientemente cercanos a la curva real como para establecer un circuito equivalente que ofrece una excelente primera real aproximación al comportamiento real del dispositivo.

][mAId

][VVd

7.0 8.0

10

7.0 8.0

][mAId

][VVd

10

Real

Si:

Ge:

VVT 7.0

VVT 3.0

Id

Vt ac Diodo Ideal

• La resistencia rac que aparece en el lado derecho es el nivel de resistencia ac promedio, en esencia define el nivel de resistencia cuando se encuentra en estado “ encendido”.

• El diodo ideal se incluye con el fin de establecer que exista una única dirección de conducción de polarización inversa en el estado de circuito abierto para el dispositivo (diodo ideal).

• La batería solo especifica que el voltaje a través del dispositivo debe ser mayor que el umbral del voltaje de la batería para que pueda establecer la conducción a través del dispositivo (diodo real) en la dirección que dicta el diodo ideal. Cuando se establezca la conducción la resistencia del diodo será el valor especificado rac.

… de la curva anterior tenemos:

10010

7.08.0

ac

ac

d

dac I

V

El circuito equivalente será:

Id

V7.0 10 Diodo Ideal

II. Circuitos Equivalentes Simplificado

Id

TV Diodo Ideal

III. Circuitos Equivalentes Ideal

V7.0][VVd

][mAId

][VVd

][mAId

Ejercicio 8:

Determinar V0, I1,ID1, ID2

V10

1D 2D

2DI1DI

k33.0

1I

0V

Usando el método simplificado el circuito equivalente es:

V10

ideal

D1ideal

D2

2DI1DI

k33.0

1I

0V

V7.0 V7.0

Los diodos ideales en este circuito se comportan como un corto.

mAmAI

II

mAk

I

VV

DD 09.142

18.28

2

18.283.0

7.010

7.0

121

1

0

… del circuito equivalente anterior:

Ejercicio 9:

V20

k2 k1

V5

Ideal

Diodo

Verificar que D1 “On” .

Hallar V

V

VV

k

kVV

Th

Th

10

4

220

kR

kkR

Th

Th

1

2//2

I

k2

VVTh 10

k1

V5

VkRTh 1

1DI

Asumo que D1 “On”I

05.22

510

1

1

mIk

II

D

D

)(1 onD

LVK:

VV

mAKV

VIk D

5.7

)25.0(15

0)(15 1

Ejercicio 10:Determine I. UTILICE CIRCUITO EQUIVALENTE SIMPLIFICADO

VE 201 VE 42 1D

2D

Si

Si

VE 201 VE 42

V7.0

mAIk

I

R

VEEI

95.62.2

7.0420

21

I

k20k20 Ideal

Diodo

Ejercicio 11:

Determine Vo.

V12

k2.2

1D

Si

2D

Ge

k2.2

0V

V3.0

V12

VV

VV

DSi

DGe

7.0

3.0

VV

VVV

7.11

3.012

0

0

0V

Aplicaciones de los Diodos

• Análisis Mediante la Recta de Carga

La carga que se aplica determina el punto de operación del diodo. Se la obtiene dibujando una línea recta que representa a la carga y que se intersecta con la característica propia del diodo.

DI

DV

RVR

][mAId

][VVd

DQV

DQIQ

E

R

E

LVK:

E

)(RIVE DD

Con:

EVIR

EIV

DD

DD

0

0

• Teorema de Thévenin

Para hallar el VTh se puede calcular o medir el voltaje del circuito abierto.

CircuitoA

B

ThV

Para encontrar la RTh se reducen a cero todas las fuentes redundantes AC o DC y se calcula la resistencia entre los puntos AB.

Para esto se cortocircuitan las fuentes de voltaje y se dejan en circuito abierto las fuentes de corriente.

• Configuraciones Serie Paralelo.

En general un diodo está en estado encendido si la corriente establecida por las fuentes aplicadas es tal que su dirección concuerda con la flecha del símbolo del diodo y VD 0.7V para el silicio y VD 0.3V para el Ge

Método Rápido

• Reemplazar por una resistencia mental al diodo

• Observar la dirección de la corriente I resultante.

• Si la corriente es igual a la flecha del símbolo del diodo entonces el diodo está encendido.

• Reemplazar por una fuente de 0.7V

Ejemplo 12:Calcular el punto de operación Q del diodo.

V5

k3

kR 12

V1

kR 25.03

)1()4(4

)1(1315

25.035

21

21

21

kIKI

kIkkI

VkIkIV Th

)25.1()1(1

)25.01()1(1

21

21

kIkI

IkkkI

Th

VV

RR

VVRVV

oVIRV

Th

Th

Th

221

2122

22

kR

kKkR

RRRR

Th

Th

Th

1

25.0)1//3(

)//( 321

V2

k1

021

2

mAk

I

R

VI

D

Th

ThD

VVD 0

Método Analítico o Gráfico

][mAId

][VVd

2.1

Q

2

2

0 DThDTh VRIV

VVVI DThD 20

mAR

VI

RIVV

Th

ThD

ThDThD

2

0

Encuentre V0 ,IEjercicio 13 : ASUMA DIODOS DE SILICIO

0V

1D

2DV10 V10

0V

1D

El D2 no conduce porque el ánodo está a tierra.

3.9

7.010

0

0

V

V

mAk

I 3.91

3.9

Encuentre V0 ,IEjercicio 14: ASUMA DIODOS DE SILICIO

VE 101

VE 02 0V

k1

k1

V10

0V

V7.0

V10

k1

I

I

mAIk

I

3.91

7.010

VV 7.00

k1

I

VE 02

Condiciones de Operación AC del diodo

Mientras la resistencia equivalente del circuito permanece constante cualquier cambio de V da lugar a un simple desplazamiento de la línea de carga.

Señal AC grande

1D

k1

VtsenV ACTh 2

ThV

1 2

1

2

Ejercicio 15:Primero se Halla el punto de Operación en DC, para luego hacer el análisis AC y finalmente graficar

120 80

1V

2V

67.065.0

25.0c

• Análisis DC

Id

Vt ac Diodo Ideal

08.0025.0

65.067.0

a

a

V10

][AId

][VVd

pmV4

Graficar: Vd.(t), Vi(t), V2(t), id (t)

Las fuentes de V ac se cortocircuitan y los capacitores se abren entonces el circuito equivalente es:

V10 120 80

DI

V65.0

08.0

086.7712008.0

65.0101

mAI

I

R

VVII

D

D

a

TfD

""onD

VV

mAV

VIV

D

D

TadD

656.0

)08.0(86.7765.0

)(

1V

VV

mAV

IV D

34.9

)86.77(120

120

1

1

1

VV 02

2V

• Análisis AC

08.0

120 80En este análisis las fuentes de V DC y los capacitores se hacen corto

pmV4

08.0

48

21 VV

PD

pD

mAI

mVI

19.8348082.0

4

pmV4

p

p

mVVV

mVVV

99.308.048

484

21

21

pD

pD

mVV

mAV

65.6

19.83*08.0

Graficar:Vd(t), Vi(t), V2(t), id (t)

DV

656.0 pmV56.634.9

pmV99.3

1V

99.3

2V

86.77

pmA19.83

DI

t

tt

t