10/4/2018 CIRCUITO ELECTRÓNICO DIGITAL Prof. Ing. Antonia Samaniego TIPOS DE MATERIALES 10/4/2018 CONDUCTORES: son materiales (generalmente metales), cuya estructura electrónica les permite conducir la corriente eléctrica a bajas temperaturas o temperatura ambiente; su resistividad al paso de la corriente eléctrica es muy baja. De acuerdo con la teoría de bandas, son aquellos materiales cuyas bandas de valencia y de conducción, se encuentran muy próximas entre si, al grado de que, en algunos casos, estas bandas se encuentran sobrepuestas AISLANTES: Los aislantes son materiales con una resistencia tan alta, que no es posible la conducción eléctrica a través de ellos. Un caso extremo, de este tipo de materiales, es el diamante Banda de conducción Eg Banda de valencia Aislante Eg=5-10eV 10/4/2018 SEMICONDUCTORES: se encuentran situados, por lo que hace a su resistencia, entre los conductores y los aislantes, ya que a temperaturas muy bajas difícilmente conducen la corriente eléctrica y más bien se comportan como aislantes pero, al elevar su temperatura o al ser sometidos a un campo eléctrico externo, su comportamiento cambia al de los conductores. Estos semiconductores son conocidos como intrínsecos y, en ellos, las bandas de conducción y valencia se encuentran separadas por una barrera de energía (banda prohibida) más pequeña (comparada con la del diamante), de aproximadamente 1 eV 10/4/2018 Diagramas de bandas Diagrama de bandas del Ge Energía 4 estados/átomo Banda de conducción Eg=0,67eV - - Banda prohibida Banda de valencia 4 electrones/átomo Si un electrón de la banda de valencia alcanza la energía necesaria para saltar a la banda de conducción, puede moverse al estado vacío de la banda de conducción de otro átomo vecino, generando corriente eléctrica. A temperatura ambiente algunos electrones tienen esta energía. Es un semiconductor. Semiconductores Extrínsecos Introducimos pequeñas cantidades de impurezas del grupo V Ge - - - - - - - - - - 4 0ºK - - - - - - - - - Tiene 5 electrones en la última capa - 3 Ge Ge - - Sb - 2 - 5 - 1 Ge - - Ge - Ge - Ge A 0ºK, habría un electrón adicional ligado al átomo de Sb 10/4/2018 - 300ºK 0ºK - - - - - - - - Ge - - - - - - - - 4 Ge - - Ge 1 5 Sb+ Sb - - - - - - 3 5 - 2 Ge - - Ge - Ge - Ge A 300ºK, todos electrones adicionales de los átomos de Sb están desligados de su átomo (pueden desplazarse y originar corriente eléctrica). El Sb es un donador y en el Ge hay más electrones que huecos. Es un semiconductor tipo N. Introducimos pequeñas cantidades de impurezas del grupo III Ge - Ge - - 0ºK - - - - - - - - - - - - - - - - - Tiene 3 electrones en la última capa - 3 Ge - Al 1 - 2 Ge - - Ge - Ge - Ge A 0ºK, habría una “falta de electrón” adicional ligado al átomo de Al ATE-UO Sem 21 10/4/2018 Ge - - - Ge - - - - - - - 4 (extra) - - - 3 300ºK 0ºK - - Al Al- Ge - - 1 - - 2 Ge - + - - - - - Ge - Ge - Ge - - A 300ºK, todas las “faltas” de electrón de los átomos de Al están cubiertas con un electrón procedente de un átomo de Ge, en el que se genera un hueco. El Al es un aceptador y en el Ge hay más huecos que electrones. Es un semiconductor tipo P. Resumen Semiconductores intrínsecos: •Igual número de huecos y de electrones Semiconductores extrínsecos: Tipo P: •Más huecos (mayoritarios) que electrones (minoritarios) •Impurezas del grupo III (aceptador) •Todos los átomos de aceptador ionizados “-”. Tipo N: •Más electrones (mayoritarios) que huecos (minoritarios) •Impurezas del grupo V (donador) •Todos los átomos de donador ionizados “+”. Muy importante 10/4/2018 10/4/2018 DIODOS SEMICONDUCTORES CIRCUITO ELECTRÓNICO DIGITAL ¿Qué es un diodo semiconductor? El diodo semiconductor es el dispositivo semiconductor más sencillo y se puede encontrar, prácticamente en cualquier circuito electrónico. Los diodos se fabrican en versiones de silicio (la más utilizada) y de germanio. Los diodos constan de dos partes, una llamada N y la otra llamada P, separados por una juntura llamada barrera o unión. Esta barrera o unión es de 0.3 voltios en el diodo de germanio y de 0.6 voltios aproximadamente en el diodo de silicio. 10/4/2018 TIPOS DE DIODOS Principio de operación de un diodo Cuando se combinan materiales tipo n y tipo p, existe una distribución de carga, algunos de los electrones libres en la estructura “brincan” a través de la junta pn y se recombinan con los huecos libres del material tipo p, similarmente los huecos del material tipo p, se combinan con los electrones del materil tipo n. Estas cargas forman un campo eléctrico Esto sucede en una región llamada de agotamiento , el campo eléctrico resultante forma una barrera potencial v.s. la corriente eléctrica Para producir una corriente a través de la junta se debe reducir la barrera aplicando un voltaje en la polaridad apropiada del diodo 10/4/2018 Regiones de agotamiento DIODO IDEAL El diodo ideal es aquel que trabaja como un interruptor. 10/4/2018 DIODO REAL Curva característica del diodo real El la figura se ilustran las características de operación de un diodo práctico. conforme la tensión en directo aumenta más allá de cero, la corriente no fluye de inmediato. Es necesaria una tensión mínima, denotada por Vd , para obtener una corriente significativa. Conforme la tensión tiende a exceder Vd la corriente aumenta con rapidez. La pendiente de la curva característica es grande pero no infinita, como en el caso del diodo ideal. La tensión mínima necesaria para obtener una corriente significativa, Vd , es aproximadamente 0.7 V para semiconductores de silicio (a temperatura ambiente) y 0.2 V para semiconductores de germanio. La diferencia de tensión para el silicio y el germanio radica en la estructura atómica de los materiales. Para diodos de arsenurio de galio, Vd es más o menos 1.2 V. Cuando el diodo está polarizado el inverso, existe una pequeña corriente de fuga, está corriente se producen siempre que la tensión sea inferior a la requerida para romper la unión. El daño al diodo normal en ruptura se debe a la avalancha de electrones, que fluyen a través de la unión con poco incremento en la tensión. La corriente muy grande puede destruir el diodo si se genera excesivo calor. Esta ruptura a menudo se conoce como la tensión de ruptura del diodo (VBR). Vd 10/4/2018 Como utilizar las curvas características a) Determine el voltaje a través de cada diodo con una corriente de 1mA. b) Repita con una corriente de 4mA. c) Repita con una corriente de 30mA. d) Determine e valor promedio del voltaje en el diodo para el intervalo de corrientes antes dadas. Polarización de un Diodo Polarización Directa El ánodo se conecta al positivo de la batería y el cátodo al negativo, Una de las características de la polarización directa es que el diodo conduce con una caída de tensión de 0.6 a 0.7v. 10/4/2018 Polarización de un Diodo Polarización Inversa El ánodo se conecta al negativo de la bateria y el cátodo al positivo, Una de las características de la polarización inversa es que el valor de la resistencia interna del diodo es muy elevada y esto hace que actué como un interruptor abierto. Características voltaje – corriente de un diodo El diodo actúa como una válvula de una vía, y la cantidad de corriente que fluye a través de él en la condición de polarización directa depende de la resistencia del circuito y de la magnitud del voltaje aplicado a través del circuito. Si una fuente de voltaje se conecta directamente a través del diodo en la condición de polarización directa, actuaría como un corto circuito y probablemente se quemaría. Para evitar que esto suceda, una resistencia limitadora de corriente o carga se puede poner en serie con el diodo como se muestra en la Figura. Inicialmente, cuando el voltaje es incrementado, existe muy poco flujo de corriente hasta que el voltaje aplicado supera la barrera de potencial del diodo. A partir de este punto, la corriente a través del diodo se incrementa rápidamente cuando el voltaje es aumentado. El diodo generalmente tendrá una caída de voltaje constante a través de él (aproximadamente 0.3 V para el diodo de germanio y de 0.7 V para el diodo de silicio), aún y cuando la corriente a través del circuito se incremente rápidamente con un incremento en el voltaje a través del circuito completo. 10/4/2018 Especificaciones de los diodos ID (corriente en sentido directo) La cantidad de corriente en la condición de polarización directa para un voltaje dado en sentido directo. IDmáx (máxima corriente en sentido directo) La máxima cantidad de corriente en la condición de polarización directa que el diodo puede llevar sin quemarse. También es una medida de la máxima disipación de potencia del dispositivo VD (Voltaje en sentido directo). Nivel de voltaje necesario para producir el nivel de corriente deseado en sentido directo. VBR (voltaje inverso de ruptura) o PIV (voltaje de pico inverso). Máximo voltaje de polarización inversa que no debe ser excedido para evitar la destrucción del diodo. IS (corriente inversa o corriente de fuga). La cantidad de corriente de fuga a través del diodo a varios voltajes de polarización inversa. Trr (tiempo de recuperación inversa). El tiempo que toma el diodo en recuperarse de la conducción directa y comienza a bloquear la corriente inversa. Generalmente es más crítico en diodos de conmutación en aplicaciones de alta frecuencia. EJERCICIOS 10/4/2018 En a) b) c) d) el circuito de la figura, determinar: Estado de los diodos El circuito equivalente La intensidad de corriente de cada resistor Si cambiamos el sentido del diodo D2, cambiará la intensidad de corriente de los resistores? Porqué? 10/4/2018 ECUACIÓN DE SHOCKLEY EJEMPLO A una temperatura de 27°C, determine el Voltaje térmico Vt. 10/4/2018 RESISTENCIA CD O ESTÁTICA 10/4/2018 CURVA DE CARGA CURVA DE CARGA 10/4/2018 EJERCICIOS 10/4/2018
