Unidad 01: Análisis de Circuitos con Diodos Semiconductores

FACULTAD DE CIENCIAS
ESCUELA PROFESIONAL DE FÍSICA APLICADA
CURSO: CIRCUITOS ELECTRÓNICOS
AÑO ACADÉMICO: 2008 - II
Unidad 01:
Análisis de Circuitos con Diodos
Semiconductores
Temperatur
e
Flow
Control
Panel
Prof: M.Sc. Alberto E. Cohaila Barrios
[email protected], [email protected], [email protected]
Pressure Alarm Conditions
STOP
1.1
INTRODUCCIÓN
Electrónica: basada en dispositivos no lineales ( AO,diodo, transistor).
 La característica v-i no es una recta.
 No puede ser aplicado el Principio de Superposición.
 No podemos obtener el equivalente de Thèvenin para un circuito
que contenga uno o más elementos no lineales.
Circuitos con elementos no lineales: no siempre pueden ser resueltos por
métodos matemáticos directos:
 Modelos del dispositivo no lineal: zonas de operación lineales
(Modelado por segmentos lineales).
 Método gráfico
La rama de la electrónica que estudia los circuitos que
procesan señales cuya representación en función del tiempo
presenta una variación continua, es decir, señales analógicas
por ser análogas a las magnitudes físicas a las cuales
representan.
1.2
TEORÍA DE SEMICONDUCTORES
1.2.1 Conducción en los materiales
- Diodo semiconductor: Componente electrónico formado por la
unión de dos materiales semiconductores con distintos tipos de
impurezas.
- Modelo de bandas de energía:
- Materiales (por el ancho de banda prohibida):
- Aislante: Anchura del orden de varios eV (aprox. 6 eV).
- Semiconductor: Anchura relativamente pequeña (aprox. 1 eV).
Aislante a bajas temperaturas y con su aumento algunos electrones
obtienen energía térmica para superar la banda prohibida. Usuales los
del grupo IV de la T.P: Silicio (1.21 a 0ºK), Germanio (0.785 a 0ºK).
- Metal: Bandas de valencia y conducción solapadas a temperatura
ambiente de modo que los electrones circulan libremente.
Algo sobre la estructura de los semiconductores
Semiconductores más comunes
La capacidad de compartir o aceptar 4 electrones es una característica
común en ellos
Todos tienen una brecha indirecta, eso los hace pobres para posibles
aplicaciones ópticas.
Compuesto
Este tipo de compuesto tienen la cualidad de tener una brecha directa. Esto lo
hace apto para aplicaciones ópticas como foto diodos y láseres.
1.2.2 Conducción en los materiales semiconductores
- Comportamiento del Germanio:
- Representación plana del Germanio a 0ºK
- Situación del Germanio a 300ºK
1.2.3 Materiales semiconductores
- Tipos de semiconductores:
- Semiconductores intrínsecos: Semiconductores puros
- Semiconductores extrínsecos: Semiconductores dopados (añadidos
átomos de impurezas a un intrínseco). Tipos:
- Tipo n: Se le añaden impurezas donadoras (electrones). Ej: Sb al Ge
- Tipo p: Se le añaden impurezas receptoras (huecos). Ej: Al al Ge
Comportamiento:
1.2.4 La unión P-N del diodo de Unión
- Unión PN:
a)
ELECTRÓNES Y HUECOS DE VALENCIA DE CADA UNION
b)
INTERCAMBIO DE ELECTRÓNES Y HUECOS QUE DAN ORIGEN A LA
CORRIENTE ELECTRÓNICA
c)
PROCESO FINAL DEL INTERCAMBIO DE ELECTRÓNES Y HUECOS EN
LA REGIÓN DE AGOTAMIENTO Ó VACIAMIENTO (DEPLETION)
d)
UNIÓN PN EN POLARIZACIÓN DIRECTA: Note como ante una fuente
externa, después de hacerse agotado el intercambio de electrones en la región de
agotamiento, se produce un flujo masivo de electrones hacia los huecos (corriente
electrónica). Por convención se ha adoptado el movimiento de huecos como el
sentido de la corriente eléctrica
e)
UNIÓN PN EN POLARIZACIÓN INVERSA
F)
DIODO SEMICONDUCTOR: CURVA CARACTERISTICA
1.2.5 Algunos componentes electrónicos
Presentación de semiconductores de forma física
1.3 EL DIODO COMO DISPOSITIVO DE DOS TERMINALES
- Símbolo:
ÁNODO
CÁTODO
- Ecuación característica:
-Regiones de Operación
- Región de polarización directa o región de conducción (VD>Vγ)
- Región de polarización inversa (VZ < VD < Vγ)
- Región de ruptura o Zener (VD<VZ)
EL DIODO COMO DISPOSITIVO DE DOS TERMINALES
- Característica Tensión-Intensidad
ÁNODO
CÁTODO
EL DIODO COMO DISPOSITIVO DE DOS TERMINALES
- Limitación de intensidad
- Los diodos poseen cotas máximas de intensidad (potencias de mW)
- Para limitar se suele emplear una resistencia en serie con el diodo
- Dependencia de la temperatura
- Cada 10ºC Is se duplica
- VT=KT/q crece linealmente
con la temperatura.
- En conmutación
- Tiempo de recuperación inversa: del orden de los 10 μseg
- Tiempo de recuperación directa: suele despreciarse
EL DIODO COMO DISPOSITIVO DE DOS TERMINALES
- Punto de trabajo: conjunto de valores de tensión e intensidad que
satisfacen tanto las ecuaciones características de un dispositivo
electrónico como aquellas ecuaciones impuestas por la topología
del circuito del que forma parte el dispositivo.
- Recta de carga:
Q: punto de trabajo
OTROS TIPOS DE DIODOS
- Diodo Zener:
OTROS TIPOS DE DIODOS
- Diodo Schottky:
- Tensión umbral (V) menor
- La intensidad de saturación inversa (IS) es mayor
- Diodo emisor de luz y fotodiodo
ANÁLISIS DE CIRCUITOS CON DIODOS
- Modelado de dispositivos: Modelar un dispositivo consiste en
simplificar la expresión matemática que describe su comportamiento.
- Condiciones:
- Modelo que abstraiga el funcionamiento básico del dispositivo a nivel físico.
- Debe establecerse un rango de validez para el modelo. Usualmente un
modelo para cada región de operación.
- Relación entre el grado de complejidad y la precisión del modelo
- Análisis de un circuito en gran señal: Supone el rango completo de
sus variables V,I considerando que los dispositivos operen en distintas
zonas de funcionamiento y por tanto utilizando el modelo
correspondiente.
- Análisis de un circuito en pequeña señal: Supone la linealización del
comportamiento de un dispositivo en torno a un Punto de Trabajo (Q).
ANÁLISIS DE CIRCUITOS CON DIODOS
- Modelos de circuito del diodo de unión PN
- Ideal
- 1a aproximación
γ
-2a aproximación
γ
γ
ANÁLISIS DE CIRCUITOS CON DIODOS
- Ejemplo
Ω
Ω
γ
APLICACIONES
- Rectificador: Circuito capaz de convertir una señal alterna (que toma
valores positivos y negativos) en una señal directa o unidireccional (sólo
toma valores positivos o negativos pero no ambos).
-Limitador: Circuito empleado para eliminar en la salida una porción de
la señal de entrada que se encuentre por encima, por debajo o situada
fuera de dos niveles de referencia, sirviendo también como circuitos de
protección contra sobretensiones.
APLICACIONES
- Regulador: Circuito cuyo propósito es proporcionar una tensión de
continua de valor constante a su salida. Esta tensión de salida ha de
permanecer insensible frente a cambios en la fuente de señal y en la
carga.
- Puertas lógicas
BIBLIOGRAFÍA
- Savant. C, Roden. M, Carpenter. G, “DISEÑO ELECTRÓNICO”,
Addison-Wesley Iberoamericana, 1992
- Millman. J, Grabel. A, “MICROELECTRÓNICA”, (6ª Ed), Hispano
Europea, 1993