Resumen Dispositivos Electrónicos

Resumen Disp. Electrnicos Juan Pablo Colagrande Mart

U.T.N. F.R.M. - 1 - Dispositivos Electrnicos

DISPOSITIVOS ELECTRNICOS

UNIDAD I: FSICA DE LAS JUNTURAS

Semiconductores: Modelo de Enlace Covalente

Celda Unitaria:

Los elementos Si (Silicio) y Ge (Germanio) tienen cuatro electrones de valencia, correspondientes a la frmula 22 ps . Se denomina a estos materiales como elementos semiconductores. Dichos elementos cristalizan como se ve en la figura.

Ligaduras covalentes:

A continuacin se presenta un diagrama de ligaduras covalentes en stos elementos. Cada tomo es representado por el ncleo y los electrones de los niveles interiores (todos excepto los de valencia). La circunferencia punteada indica neutralidad de cargas.

Rotura de las ligaduras:

El cristal esta siempre sometido a una temperatura, que le proporciona energa a sus electrones. Si la temperatura es K0=T , entonces el material no conduce, pues los electrones estn ligados totalmente. A esa temperatura, el semiconductor se vuelve aislante. Si la temperatura es K0>T , algn electrn adquirir una energa cintica que le permita vencer la barrera de potencial y podr romper la ligadura, y pasar a ser un electrn libre. Adems, este electrn deja una ligadura rota, que trata de reconstruirse con un electrn vecino. Cuando lo hace, queda la ligadura vecina rota, generando as sucesivamente un hueco libre.

Este electrn libre permite la conduccin de electricidad. Tambin el hueco libre la permite, ya que se comporta como una carga positiva en movimiento.

Hay que tener en cuenta que ambas cargas nunca se sitan en el espacio interatmico, pues ah existe una barrera de potencial muy alta. Cunticamente suponemos que el electrn y el hueco simplemente se transfieren de tomo en tomo sin haber desplazamiento fsico a travs de la estructura.

Veremos tambin que el hueco tambin tiene masa. Pero para hablar de la masa de estos entes, utilizaremos el concepto de masa efectiva, ya que este resume todos los efectos cunticos que

+4 +4

+4 +4

+4 +4

+4

+4

+4



afectan a los mismos. La siguiente tabla muestra los valores relativos de las masas efectivas respecto del valor de la masa del electrn en reposo.

Electrn Hueco Silicio

en mm .1,1*

= ep mm .59,0* = Germanio

en mm .55,0* = ep mm .37,0* =

Semiconductores intrnsecos:

En un semiconductor intrnseco, vale decir puro (intrnseco porque sus propiedades vienen definidas desde el interior del material), a temperatura ambiente hay dos cargas libres que permiten la conduccin: los electrones y los huecos. Para ello, cada electrn adquiere trmicamente una energa de eV1,1 si el material es Silicio, o eV7,0 si es Germanio. A dicha temperatura ( K300T ) en el Silicio aproximadamente 1 de cada 1210 electrones adquiere esa energa y escapa del enlace. Si consideramos que hay aproximadamente 2210 tomos por 3cm de material, entonces tendremos una concentracin de electrones libres de:

at 10el 1

.

cm

at10 12322in

310

cm

el10in y 310

cm

el10ip

siendo in y ip la concentracin de electrones y huecos respectivamente en el material. En todos los casos, los electrones se recombinan nuevamente con los huecos, pero al mismo tiempo se vuelve a generar otro electrn libre. Hay entonces un equilibrio dinmico en el material que mantiene la concentracin relativamente constante.

Semiconductores no intrnsecos (o extrnsecos):

Un semiconductor no intrnseco (o extrnseco, porque las propiedades se definen desde afuera) es aquel al que se le ha agregado cierta concentracin de impurezas. Hasta ahora la presencia de electrones o huecos se deba a la rotura trmica de las ligaduras y por lo tanto, estaban balanceadas en nmero. Veremos ahora que agregando pequeas concentraciones de impurezas al material, las cantidades de electrones o huecos diferirn una con otra.

Tipo N:

Se llaman impurezas donoras a las concentraciones de materiales del grupo V de la tabla peridica, vale decir que tienen 5 electrones de valencia (pentavalentes), por ejemplo: Arsnico o Fsforo. Agregar impurezas donoras es una forma de agregar electrones libres sin agregar al mismo tiempo huecos, y sin romper la neutralidad elctrica. Slo puede hacerse esto si agregamos pequeas concentraciones, de modo que los tomos de cada elemento estn lo suficientemente dispersos en el cristal como para no interactuar entre s. Grficamente esto sera:



Representaremos a la concentracin de impurezas donoras con 314

cm

at.10DN

Adems representaremos con n a la concentracin de portadores negativos y con p la de portadores positivos:

314

cm

el.10n (mayoritarios en el material N)

36

cm

h.10p (minoritarios en el material N)

Siempre se cumple que: 2

. inpn = Tremosa Pg. 35

Si la temperatura aumenta, el material tiende a la condicin intrnseca, porque los portadores minoritarios aumentan en cantidad.

/*Estudiar los desarrollos*/

Tipo P:

Se llaman impurezas aceptoras a las concentraciones de materiales del grupo III de la tabla peridica, vale decir que tienen 3 electrones de valencia (trivalentes), por ejemplo: Aluminio, Indio y Galio. Agregar impurezas aceptoras es una forma de agregar huecos libres sin agregar al mismo tiempo electrones, y sin romper la neutralidad elctrica. Tambin debe hacerse con pequeas concentraciones. Grficamente esto sera:

+4 +4

+4 +3

+4 +4

+4

+4

+4

Electrn faltante del tomo trivalente

No es un hueco comn, es un hueco latente. La energa necesaria para que los

electrones vecinos enlazados llenen ese

hueco, es de eV05,0E para el Silicio, lo que provoca la existencia de un hueco

libre.

+4 +4

+4 +5

+4 +4

+4

+4

+4

Quinto Electrn del tomo pentavalente

Sigue unido aunque dbilmente al tomo pentavalente. Slo necesito una energa de

eV05,0E para el Silicio para desprenderlo del enlace.



Representaremos a la concentracin de impurezas aceptoras con 314

cm

at.10AN

Las concentraciones de portadores son:

314

cm

h.10p (mayoritarios en el material P)

36

cm

el.10n (minoritarios en el material P)

Tambin siempre se cumple que: 2

. inpn = Tremosa Pg. 35

Anlogamente con el otro tipo de material, si la temperatura aumenta, se tiende a la condicin intrnseca, porque los portadores minoritarios aumentan en cantidad.

/*Estudiar los desarrollos*/

Podemos graficar la concentracin de portadores en un material semiconductor extrnseco con respecto a la temperatura (en este caso a la inversa). El grfico determina tres zonas: zona de ionizacin, zona extrnseca y zona intrnseca. Para el normal funcionamiento de los dispositivos, el semiconductor debe trabajar en la zona extrnseca, que es lo ms frecuente. All, sus propiedades casi no varan con la temperatura.

Tremosa Pg. 39

Conduccin:

La conduccin elctrica en materiales conductores difiere de la misma en semiconductores. La diferencia ms significativa radica en la naturaleza de dicha corriente.

Materiales Conductores:

Como vemos en las figuras anteriores, los electrones van chocando a medida que van avanzando, logrando una velocidad promedio dv y una corriente de arrastre de electrones. Obtenemos as la densidad de corriente de arrastre:

dvqnJ ..=

T1

pn

Zona intrnseca

Zona extrnseca

Zona de ionizacin de

impurezas

KT 50= KT 470=

E

x

Cobre

t

xv

dv



donde q es la carga del electrn. Tambin podemos reemplazar Evd .= donde es la movilidad que tienen esos electrones. Obtendremos entonces una frmula as:

EqnJ ... =

y podemos decir que la conductividad del material (inversa de la resistividad) es ..qn= , entonces obtenemos la ley de Ohm en su expresin de: EJ .=

Materiales Semiconductores:

Varias son las causas que perturban el movimiento de los portadores durante la conduccin elctrica en semiconductores:

a) Agitacin trmica La agitacin trmica de la estructura cristalina provoca la dispersin de los portadores, y por lo tanto, un aumento en la resistencia elctrica. A mayor temperatura, mayor dispersin, y por lo tanto, menor velocidad crtica (la mxima alcanzada, a partir de la cual la aceleracin es cero).

b) tomos de impurezas ionizados Cuando los electrones o lagunas pasan cerca de un tomo donor o aceptor ionizado, son repelidos o atrados, segn el caso. Y por lo tanto, este efecto provoca la dispersin de los portadores. Cuanto mayor es la temperatura, menor es el efecto dispersivo de los iones (porque la velocidad es alta, y el efecto electrosttico es dbil)

c) tomos de impurezas sin ionizar Los tomos de impurezas sin ionizar, que slo existen de manera significativa a muy baja temperatura, dispersan a los portadores por el efecto gravitacional de sus masas, distintas a las masas de los tomos del semiconductor.

d) Portadores de distinta polaridad Los electrones y los huecos se dispersan entre ellos. Cuando circula la corriente para un sentido, ambos portadores van en sentido contrario, y si estn cerca, se atraen, distorsionando el sentido de la corriente, y disminuyendo su componente en el sentido original.

e) Portadores de la misma polaridad Estos producen dispersin entre ellos al pasarse cerca, pero no afectan a la corriente, debido a que sus sentidos de circulacin se mantienen a pesar de haberse dispersado.

En los semiconductores, al tener dos tipos de portadores, vemos que la densidad de corriente de arrastre es:

EqpEqnJ pnA ...... +=

En ste caso vemos que diferenciamos con un subndice A para indicar que es de arrastre, porque existe una corriente de otra naturaleza: la difusin, que denominaremos con el subndice D.

Conductividad: Veremos cmo vara la conductividad con la temperatura en los semiconductores intrnsecos.



En la zona 1, la conductividad crece rpido porque la concentracin de portadores crece rpido debido a la ionizacin de impurezas. El crecimiento es exponencial, por lo que predomina sobre la disminucin de la movilidad en esa zona. En la zona 2, la concentracin de portadores se mantiene constante, porque prcticamente todas las impurezas estn ionizadas y la temperatura no es an suficiente para romper ligaduras a gran escala. Pero la movilidad disminuye por efecto de la dispersin trmica de los portadores, y por ende, disminuye la conductividad. A esta zona tambin se le llama metlica, porque el comportamiento es similar a los metales, disminuyendo la conductividad con la temperatura. En al zona 3, el nmero de portadores aumenta rpidamente por la rotura trmica de ligaduras. Este aumento, como es exponencial, predomina sobre la disminucin de la movilidad. Los nombres de las zonas se deben a la dependencia de la conductividad con esos hechos.

Tremosa Pg. 40

Supongamos ahora un cristal semiconductor con una concentracin de portadores mucho mayor en un lado con respecto al otro:

Se crean as corrientes llamadas de Difusin, que dependen de cmo varen las concentraciones en el cristal, y que se expresan como:

dxdnqDJ nDn ..=

Corriente de Difusin de electrones

dxdpqDJ pDp ..=

Corriente de Difusin de huecos

Con esto, presente la difusin, se provoca un campo elctrico que crea una corriente de arrastre, opuesta a la de difusin, logrando el material un equilibrio dinmico de corrientes.

n=1000 n=10

500 500 5 5 5 500

495

(+) (-)

E

Como hay diferencia de concentraciones, se DIFUNDEN portadores de un lado al otro.

Al difundirse los portadores se crean excesos de cargas opuestas, que generan un campo elctrico que se opone a la difusin.



Semiconductores: Modelo de Bandas de Energa

Principio de Exclusin de Pauli:

El principio de exclusin de Pauli establece que dos electrones no pueden tener el mismo estado cuntico de energa. Cuando dos tomos estn lo suficientemente separados como para no notar interacciones entre s (estado gaseoso), los niveles energticos de los electrones pueden coincidir, pero si se comienzan a acercar (estado slido), los electrones comienzan a ubicarse en distintos niveles energticos intermedios para no violar el mencionado principio. Como ejemplo para visualizar esto, veremos qu ocurre en un slido con la energa de sus electrones en funcin de la distancia interatmica. Sabemos que para los materiales semiconductores, los electrones de los ltimos niveles tienen la configuracin 22 ps . Esto nos dice que hay ocho estados disponibles y cuatro electrones para ubicarse en ellos, por cada tomo. Al haber una cantidad grande de tomos, ocurre lo siguiente:

Bandas de Energa:

Al posicionarnos en la distancia real de los tomos, obtenemos el diagrama de bandas de energa del material.

Interpretacin de las bandas: Las bandas pueden estar llenas, casi llenas, casi vacas o vacas. El comportamiento elctrico en cada caso es el siguiente:

a) Una banda llena no conduce corriente b) Una banda vaca no conduce corriente c) Una banda casi llena conduce corriente mediante el desplazamiento de huecos d) Una banda casi vaca conduce corriente mediante el desplazamiento de electrones

Tremosa Pg. 62

Semiconductores intrnsecos:

El diagrama de bandas de energa para el semiconductor intrnseco es:

E

2s

2p

=N cantidad de partculas (muy grande) NAB

A= veces la cantidad de electrones y NB = veces la cantidad de estados

=0a separacin real de los tomos

62

22

84

44

40

Se divide en tantos niveles distintos que se supone continuidad

x 0a



Para que un electrn salte de la banda de Valencia a la banda de Conduccin tiene que superar la banda prohibida, donde ningn electrn puede estar. Entonces necesita una energa de:

( )ATSi, eV 1,1= VCg EEE

La Banda de Valencia, a una temperatura de K0 se encuentra totalmente llena, pues tiene cuatro estados y cuatro electrones. A esa misma temperatura, la Banda de Conduccin est totalmente vaca, pues no tiene ningn electrn. A temperatura ambiente ( K300=T ), algunos electrones de la Banda de Valencia adquieren esa energa gE y saltan hacia la Banda de Conduccin, permitiendo la circulacin de una pequea corriente a travs del material, debido a que hay electrones libres en la Banda de Conduccin, y huecos libres en la Banda de Valencia.

Semiconductores no intrnsecos: Tipo N:

En un semiconductor tipo N, el diagrama de bandas es similar, slo con una pequea diferencia. Aparece un nivel de energa donor dE , debido a los electrones de los tomos pentavalentes. Es evidente que ste electrn necesita una pequea energa ( eV 05,0 ) para romper el enlace y quedar libre. Entonces, inicialmente no est en la Banda de Conduccin. Tampoco est en la Banda de Valencia, pues de esa manera hubiera necesitado una energa mayor para quedar en conduccin. Entonces decimos que est en un nivel de energa donor, ubicado en la Banda Prohibida, cerca de la Banda de Conduccin. No es contradictorio afirmar lo anterior, ya que la banda prohibida es del semiconductor, el nivel donor es de las impurezas.

Representamos al nivel donor con una lnea, pues las concentraciones de impurezas se suponen pequeas, para que no interacten entre s los tomos de las mismas. A mayores concentraciones, el nivel de energa donor se convierte en una pequea banda de energa.

A temperatura ambiente, todos los electrones del nivel donor pasan a la conduccin, haciendo que menos cantidad de los electrones de Valencia salten la banda prohibida. Quedan determinados as los dos tipos de portadores: mayoritarios, los electrones; y minoritarios, los pocos huecos que quedan en la Banda de Valencia.

Banda Prohibida

Banda de Conduccin

Banda de Valencia

E

CE

VE

dE

eV 05,0

Banda Prohibida

Banda de Conduccin

Banda de Valencia

E

CE

VE

E

CE

VE



Tipo P:

En un semiconductor tipo P, aparece un nivel de energa aceptor aE , debido a los huecos generados por los tomos trivalentes. Los electrones que estn en la Banda de Valencia necesitan una pequea energa ( eV 05,0 ) para ubicarse en esos huecos. Entonces, los huecos no estn en la Banda de Conduccin ni en la de Valencia. Los ubicaremos en un nivel de energa aceptor, que esta en la Banda Prohibida, cerca de la banda de Valencia. No es contradictorio afirmar lo anterior, ya que la banda prohibida es del semiconductor, el nivel aceptor es de las impurezas.

Representamos al nivel aceptor con una lnea, pues las concentraciones de impurezas se suponen pequeas, para que no interacten entre s los tomos de las mismas. A mayores concentraciones, el nivel de energa aceptor se convierte en una pequea banda de energa.

A temperatura ambiente, una gran cantidad de electrones de Valencia ganan la energa suficiente y pasan al nivel aceptor, y unos pocos alcanzan a saltar la Banda Prohibida. Quedan determinados as los dos tipos de portadores: mayoritarios, los huecos en la Banda de Valencia; y minoritarios, los pocos electrones que saltan hacia la Banda de Conduccin.

Si impurifico al material de ambas maneras a la vez, tiende a la condicin intrnseca, pues el salto de banda ms probable (debido a la cantidad de electrones) es el de la Banda de Valencia hacia la de Conduccin.

Estadstica de Fermi:

Fermi formula una funcin que determina la probabilidad de encontrar electrones en un estado de energa determinado, a una temperatura dada. Dicha funcin se expresa de la siguiente manera:

( ) ( ) TkEE FeTEf .11

,+

=

/*Estudiar el desarrollo*/ Tremosa Pg. 75

donde FE es la Energa de Fermi, que expresa la mxima energa que puede tener un electrn en K0=T ; k es la constante de Boltzman.

A continuacin vemos un grfico de dicha funcin a varias temperaturas. El de lnea continua es en el cero absoluto. A mayores temperaturas (lnea punteada), la curva se aleja de esa condicin.

Banda Prohibida

Banda de Conduccin

Banda de Valencia

E

CE

VE aE

eV 05,0

E CE

VE



Al ver el grfico podemos redefinir la Energa de Fermi como la energa a la cual la probabilidad de ocupacin vale 0,5 a cualquier temperatura. El nivel de Fermi es siempre constante, mientras no vare la temperatura en distintos puntos del mismo material, o las condiciones de equilibrio. Si representamos dicha funcin sobre los diagramas de bandas para los tres tipos de semiconductores, podemos sacar conclusiones interesantes:

Semiconductores Intrnsecos:

Aqu hay igual probabilidad para los electrones que para los huecos.

Material tipo N:

Aqu hay mayor probabilidad de encontrar electrones libres en la Banda de Conduccin que huecos en la Banda de Valencia.

Material tipo P:

Aqu hay mayor probabilidad de encontrar huecos en la Banda de Valencia que electrones libres en la Banda de Conduccin.

E CE

VE

1

FE

Probabilidad menor

Probabilidad mayor

E

CE

VE

1

FE

Probabilidad mayor

Probabilidad menor

E

CE

VE

1

FE

K300=AT

K0=T

Probabilidad que haya electrones libres

Probabilidad que haya huecos libres

FE

1

0,5

E



Teora de Junturas

Juntura P-N:

La Juntura P-N es un monocristal de material semiconductor con contaminaciones distintas en sus extremos, vale decir, con una variacin de concentracin de portadores de un extremo a otro del material. Cabe aclarar que la Juntura P-N no es la unin o soldadura de un material N con uno P, sino un monocristal. Para comprender cmo funciona, supongamos dicha juntura representada en el siguiente grfico:

Toda juntura est formada por una zona de contaminacin aceptora (tipo P) separada de una de contaminacin donora (tipo N). El plano que depara ambas zonas se denomina plano metalrgico. En todo el anlisis vamos a suponer que la juntura es abrupta, ya que por ms que en la realidad no sea as la construccin, los clculos siguen siendo vlidos debido a que no dependen del tipo de perfiles de las contaminaciones.

Cuando decimos que la juntura est en equilibrio, nos referimos al equilibrio trmico, con lo cual afirmamos que el sistema slo interacciona con el ambiente por medio de la temperatura (no existen efectos de luz, campos magnticos o elctricos).

En nuestro anlisis vamos a hacer una aproximacin de vaciamiento, es decir, suponemos que la zona de transicin de la juntura (o zona de carga espacial) se vaca de portadores por difusin, dejando las cargas fijas de los iones de las impurezas. La situacin real es bastante parecida.

Podemos visualizar algunos grficos que representan magnitudes importantes en la juntura en equilibrio. En ste caso, se ha dibujado una impurificacin simtrica, pero puede no darse ste caso. Se debe entender cmo variarn los grficos para la situacin mencionada.

P N p>>

n>

p



En el primer diagrama representamos la diferenciacin de las zonas, entendiendo que todos los dems diagramas estarn representando lo que ocurre en la zona de transicin de la juntura. En el segundo, tenemos la densidad espacial de carga. sta carga se debe a los iones de las impurezas y no a los portadores. Cuando las impurezas se ionizan, algunos portadores liberados cruzan la zona de transicin y se recombinan. Como las cantidades recombinadas son iguales por ms que las concentraciones de impurezas no lo sean, las reas de los rectngulos (vale decir la carga) deben ser iguales. Al haber carga en la juntura, habr un campo elctrico que representamos en el tercer grfico. Su magnitud es representada de forma negativa debido a la direccin del mismo. Su variacin es lineal, porque la cantidad de cargas es constante. En el cuarto grfico vemos la distribucin de potencial, que sigue una ley cuadrtica debido a que es la integral del campo respecto a la posicin (deduciendo de la ecuacin de Poisson). Por ltimo, vemos en el quinto grfico la distribucin de energas de los portadores. El salto de energa

0.Vq es la diferencia de potencial existente entre ambas zonas.

Las curvas de Potencial y Campo Elctrico, se deducen de la Ecuacin de Poisson:

2

2 =

dxVd

/*Estudiar las deducciones*/

Zona P Zona N

E

V

0V

(+)

(-)

Zona de transicin de la Juntura

Densidad espacial de carga

Campo Elctrico

Potencial

VqU .=

0.Vq Energa Potencial



El proceso de la difusin termina cuando el campo elctrico que ese mismo proceso genera es suficientemente intenso, y hace que la corriente resultante en la juntura sea cero. Como resultado de estos dos procesos que se acaban de analizar, y que se produjeron al fabricar la juntura, nace el potencial 0V , que no puede medirse con ningn instrumento, porque es un potencial de contacto. Su valor numrico se calcula como:

= 20

.ln.i

ADT

n

NNVV

/*Estudiar la deduccin*/

de donde mV26. =qTkVT es la tensin trmica, y ese valor aproximado es para KT 300=

Diagrama de Bandas en la juntura P-N:

Sabiendo cmo son los diagramas de bandas de Energa para cada tipo de material, podemos unirlo sabiendo que la energa de Fermi en todo el material es constante, cuando ste est en equilibrio.

Nos queda la forma del mismo diagrama que dedujimos anteriormente, para cada lmite de banda. La densidad de concentracin de portadores est representada por la cantidad de signos + y -. Debe recordarse que es stos diagramas los electrones tratan de caer buscando el mnimo de energa potencial, pero la agitacin trmica, representada por la expresin Tk. , trata de enviar electrones hacia niveles ms altos de energa.

P N

CE

FE

VE

CE

FE

VE

P N

CE

FE

VE CE

FE

VE

Zona de Transicin

0.Vq

- - - -

- - - - - - - - - - - - -

+ + + +

+ + + + + + + + + +



La Juntura P-N fuera del equilibrio:

Inyeccin Dbil:

Como en un extremo del cristal, las concentraciones de los portadores difieren de manera descomunal, a un aumento de portadores (por algn motivo), le corresponde una variacin relativa, para cada tipo de portador. En los mayoritarios esa variacin no se nota, en cambio en los minoritarios s. Las variaciones de los portadores se producen, generalmente, por aplicacin de un potencial externo a la juntura, pero puede tambin producirse por la incidencia de luz al cristal. Para poder conectar una diferencia de potencial a la juntura, debemos soldar dos contactos hmicos de muy baja resistencia y que no discriminen el sentido de la corriente, uno a cada lado. Quedan delimitadas por esos contactos tres zonas: dos zonas neutras y la zona de transicin. Para el anlisis, vamos a suponer que en las zonas neutras no se produce cada de tensin y que los contactos son perfectos (resistencia nula para ambas situaciones).

Al polarizar en directo una juntura, se produce un aumento de portadores que llamamos inyeccin dbil (o inyeccin de portadores minoritarios). Esto se puede ver en la zona de transicin del siguiente grfico de concentracin de portadores:

Al polarizar en directo la juntura, disminuye el campo elctrico que provocaba la corriente de arrastre, permitiendo ms difusin.

Fuera de la zona de transicin, las concentraciones son:

De aqu puedo sacar una ecuacin para averiguar la concentracin de portadores en cualquier lugar fuera de la zona de transicin:

( ) ( ) pLx

n enpnpxp

+= .00

donde =pL longitud de difusin, que es la distancia promedio que ingresa el hueco antes de recombinarse, y no es una constante.

0Pp

0Pn 0np

0nn 0Pp

( )0Pn ( )0np

0nn

JUNTURA EN EQUILIBRIO POLARIZACIN DIRECTA

np, np,

0Pp

0Pn 0np

0nn 0Pp

( )0Pn ( )0np 0nn

JUNTURA EN EQUILIBRIO POLARIZACIN DIRECTA

np, np,

( )0np ( )0pn



Anlogamente:

( ) ( ) nLx

PPP ennxn

+= .00

Sabiendo que en la zona de transicin se inyectan portadores, qu sucede fuera de esa zona? No hay ninguna fuerza que lleve a esos portadores hacia la parte externa de esa zona. Lo que los impulsa a moverse es la energa trmica del ambiente, combinada con una fuerza de probabilidad basada simplemente en el lugar en el que se ubican. La ley que rige ste movimiento determina el flujo de corriente de Difusin. Las ecuaciones son las vistas anteriormente.

Tremosa Pg.: 48 Juntura en equilibrio:

Cuando la juntura est en equilibrio, existen corrientes dentro del material. Dichas corrientes son:

04321 =+++ IIII entonces 21 II = e 43 II =

Polarizacin directa:

Cuando conectamos la fuente, de tal manera que el positivo de la misma se conecte al lado P de la juntura, el potencial de la juntura

0V disminuye a VV 0 . Entonces las bandas se juntan.

En la zona de transicin nunca se genera un potencial V mayor que 0V , porque sino se quema el diodo.

1I e 4I son iguales al equilibrio. 2I e 3I aumentan, porque la energa que adquieren les permite pasar la barrera. La corriente del diodo es:

32 III D +=

1I

2I

3I

4I

- - - -

- - - - - - - - - - - - -

+ + + +

+ + + + + + + + + +

( )VVq 0.

1I

2I

3I

4I

- - - -

- - - - - - - - - - - - -

+ + + +

+ + + + + + + + + +



Polarizacin inversa:

Cuando a esa juntura le conectamos una fuente, de tal manera que el positivo de la misma se conecte al lado N de la juntura, el potencial de la juntura 0V aumenta a VV +0 . Entonces las bandas se separan.

De sta manera se genera una corriente de portadores minoritarios, que es muy pequea. 1I e 4I son iguales al equilibrio. 2I e 3I tienden a 0, porque la energa que tienen que superar es

ms alta. La corriente del diodo (que en este caso es inversa) queda determinada como:

41 III D +=

Ley de la Unin:

Sabiendo que la densidad de corriente de difusin es igual a la densidad de corriente de arrastre en una juntura en equilibrio, podemos deducir dos relaciones interesantes.

( ) TVV

enpnp .0 0= y ( ) TVV

PP enn .0 0= Ley de la Unin

/*Estudiar la demostracin*/ Tremosa Pg.: 117

Corriente en la juntura con polarizacin directa:

De los anlisis anteriores surge la existencia de corriente elctrica en el circuito, pues hay un cruce de portadores de distinto signo, lo que supone una corriente en un solo sentido. Consideraremos el plano de anlisis a uno ubicado dentro de la zona de transicin, donde la recombinacin es prcticamente nula.

Viendo el grfico de concentracin de portadores fuera de la zona de transicin cuando hay polarizacin directa, si lo derivamos podemos obtener el grfico de las corrientes del diodo fuera de la misma zona.

POLARIZACIN DIRECTA

( ) ( )00 nppnD III +=

(difusin) npI (difusin) pnI

ppI nnI

I

1I

2I

3I

4I

- - - -

- - - - - - - - - - - - -

+ + + +

+ + + + + + + + + +

( )VVq +0.



Vemos que la suma de las corrientes de difusin npI e pnI , en su punto inicial, dan como resultado la corriente del diodo, que debe ser constante en toda la juntura debido al principio de conservacin de la carga. Entonces nacen corrientes de arrastre y difusin a la vez, que llamamos ppI e nnI . Los portadores, al atravesar la zona de transicin, llegan a una zona neutra y fluyen por difusin. La zona contraria podra proveer una cantidad mayor de portadores, pues all son mayoritarios, pero es necesario que fluyan a travs de la zona contraria, por difusin. Entonces determinamos que la limitacin a la corriente la impone la difusin. Dentro de la zona de transicin, suponemos que las corrientes se mantienen iguales que en sus estados iniciales, es decir que dentro de esa zona: ( )0pnpn II = e ( )0npnp II = . Tomamos como importante la siguiente ecuacin que deducimos grficamente en el paso anterior:

( ) ( )00 nppnD III +=

A partir de ella podemos deducir la siguiente expresin, que nos da la relacin entre la tensin y la corriente en la juntura, y por lo tanto, la caracterstica terica del diodo de juntura:

= 1. TV

V

SD eII

donde

+=

n

Pn

p

pS L

nDL

npDAqI 00.

.

.. es la Corriente de Saturacin de la juntura


Corriente de Saturacin inversa:

Es conveniente deducir SI como resultado de una polarizacin inversa.

Fuera de la zona de transicin de la juntura, las concentraciones de portadores son:

Las corrientes existentes en ste caso son 1I e 4I , que son minoritarias y cruzan la zona de transicin por difusin.

Calculando esas corrientes, obtendremos la expresin encontrada anteriormente para la corriente inversa de saturacin de la juntura:

+=

n

Pn

p

pS L

nDL

npDAqI 00.

.

..

/*Estudiar la demostracin*/

En ste caso, el signo menos indica que es una corriente inversa.

0Pp

0Pn 0np

0nn 0Pp

0Pn 0np

0nn

JUNTURA EN EQUILIBRIO POLARIZACIN INVERSA

np, np,



La misma frmula puede expresarse de otra manera:

+= n

n

Pp

pS LA

nLAn

pqI .... 00


que nos dice que la corriente inversa de saturacin del diodo est formada por los portadores minoritarios generados trmicamente dentro del espacio de una longitud de difusin, a partir de los planos que forman la zona de transicin y hacia las zonas neutras.

Tremosa Pg.: 122 Distribucin de las corrientes:

Como se supone que en la zona de transicin no existe recombinacin de portadores, la corriente, tanto de huecos como de electrones, ser constante en esa zona. Sabiendo que son corrientes minoritarias de difusin, averiguamos su valor. Si sumamos los resultados, obtendremos una corriente total en la zona de transicin, pero podemos afirmar que esa misma es la corriente que atraviesa todo el diodo.

Como las corrientes consideradas se refieren solamente a los portadores minoritarios, debemos aceptar que los portadores mayoritarios proveen la corriente necesaria para obtener la igualdad en todos los puntos del circuito. En los planos de los contactos, es comn que toda la corriente sea conducida por los portadores mayoritarios.

stas corrientes mayoritarias son de ambas naturalezas: Difusin y Arrastre. Esto es porque en las zonas neutras est presente un campo elctrico muy dbil, cuyo efecto sobre los portadores minoritarios es despreciable, pero sobre los mayoritarios es de un orden importante. Al ser de las dos naturalezas, el clculo de la corriente mayoritaria resulta complicado. Pero se facilita su comprensin viendo el grfico. Si la corriente calculada para la zona de transicin es la misma para toda la juntura, conociendo las corrientes minoritarias, podemos saber que las mayoritarias componen el resto de la corriente para alcanzar la total.

Tremosa Pg.: 124 El diodo real:

En el diodo real, el comportamiento no es exactamente como el descrito hasta ahora. Las razones de sta divergencia son:

a) Cadas de tensin asociadas a los campos elctricos en las zonas neutras. Provoca la existencia de una resistencia en serie con el diodo.

b) Generacin y recombinacin de portadores en la zona de transicin. Provoca que las corrientes en la zona de transicin no sean constantes, como se ve en el

siguiente grfico:



c) Corrientes de fugas sobre las superficies de las junturas. Provoca una variacin en la curva de polarizacin inversa del diodo, sobre todo en el

Silicio. d) Ruptura debida a tensiones inversas excesivas.

Provoca la regin Zner del diodo. Tremosa Pg.: 128

Capacidades de transicin y de difusin:

Ancho de la juntura:

Basndose en la aproximacin del vaciamiento, se llega a una distribucin lineal, idealizada, en la distribucin de cargas y campos elctricos. Para poder determinar los efectos capacitivos de la juntura, usando sta aproximacin, debemos conocer el ancho de la zona de carga espacial, con lo cual conoceremos la distancia entre las placas del capacitor que asociamos a la juntura.

El ancho de dicha zona es:

( )

+

=

AD NNqVVl 11..2 0


Capacidad de Transicin:

Si se aplica una tensin V a una juntura (generalmente en polarizacin inversa) y se provoca una variacin dV , las cargas almacenadas en la zona de transicin de la juntura varan en dQ . Una variacin de cargas almacenadas al variar la tensin aplicada, implica un efecto capacitivo. Se define como capacidad de Transicin a:

lA

dVdQC j

.==


donde l es el ancho de la juntura deducido anteriormente, es la constante dielctrica del semiconductor, y A es el rea transversal del diodo. Obsrvese que la frmula es idntica a la de un capacitor de placas paralelas.

En ste caso, la distancia l vara con la tensin aplicada al diodo y, por lo tanto, vara la capacidad. sta propiedad se utiliza para disponer de capacidades variables electrnicamente, y cuando al diodo de juntura se lo utiliza aprovechando sta propiedad se lo llama Varactor o Varicap.

Hemos visto que al polarizar en inverso una juntura se genera una capacidad de transicin. Ella tambin existe cuando se polariza en directo al diodo, pero en esas condiciones la corriente



directa, de gran valor, enmascara su efecto. Veremos que en esas condiciones, hay una capacidad ms importante.

Tremosa Pg.: 133 Capacidad de Difusin:

Cuando polarizamos la juntura en directo, y variamos la tensin aplicada, aparece una nueva capacidad, denominada capacidad de Difusin:

( ) TVVnppoD eLnLnpTk

AqC .....2 0

2

+=


sta capacidad es directamente proporcional a la corriente del diodo. Tremosa Pg.: 135

Dinmica de los diodos de Juntura

Generalidades:

Existen dos causas principales que provocan corrientes en el diodo cuando la tensin vara: a) Variacin de la carga almacenada en las zonas neutras:

Existir corriente de inyeccin de portadores para aumentar o disminuir la cantidad de portadores almacenados en las zonas neutras. La inyeccin de portadores minoritarios en una zona neutra significa el arrastre de portadores mayoritarios en sentido contrario, para mantener esa neutralidad. Es as como se almacenan, en una misma zona, portadores mayoritarios y minoritarios, vale decir, cargas positivas y negativas en cantidades iguales. La similitud con un condensador, en el cual siempre se almacenan cargas iguales y de distinto signo, es muy grande. La diferencia fundamental, es que en la juntura, la distribucin de cargas es espacial y no superficial.

b) Variacin de la carga almacenada en el dipolo de cargas fijas, en la zona de transicin de la juntura: Habr corriente en los terminales del diodo, pues una variacin en las cargas fijas significa un flujo de electrones y lagunas que son las que las neutralizan. No debe olvidarse que el aumento de las cargas fijas se debe a que electrones y lagunas, en iguales cantidades, se retiran de la zona de transicin; y la disminucin se debe a que electrones y lagunas, en iguales cantidades, fluyen hacia la zona neutralizando cierto nmero de iones. Este efecto de almacenamiento y variacin de cargas es tambin similar, en muchos aspectos, a un condensador.

Tremosa Pg.: 137 Dinmica de los excesos de portadores minoritarios:

En todas las consideraciones que siguen se ha supuesto una juntura np + . De sta manera la inyeccin de portadores en la juntura consistir casi exclusivamente en lagunas que irn de la zona +p hacia la zona n . Los electrones inyectados en sentido contrario son muy pocos debido a la baja contaminacin de la zona n . Debemos prestar especial atencin a las cargas almacenadas en las zonas neutras, pues son las responsables en mayor grado de los fenmenos que ocurren en la conmutacin. Realizando algunos procedimientos de anlisis, obtenemos una segunda ecuacin para la corriente del diodo, dependiente de variables muy diferentes a las de la ecuacin anterior, vale decir, sta segunda depende de la carga almacenada en la zona neutra:

( )p

np pLAqI

0... =



Podemos entonces, a partir de ste anlisis, aadir un trmino a la corriente del diodo que tenga en cuenta los efectos dinmicos. As, asemejamos a la juntura con un circuito RC en paralelo.

dtdqq

i pp

p +=

La siguiente figura representa la distribucin de cargas en la zona neutra N del diodo cuando la tensin aplicada v vara rpidamente:

El valor instantneo de la tensin es el mismo para las tres curvas, pues la concentracin inicial es la misma. Pero la primera (1), indica que la velocidad de variacin de la tensin es grande y su magnitud aumenta en valor absoluto; la segunda (2), representa la distribucin estacionaria, o sea cuando la velocidad de variacin de la tensin es baja, y la tercera (3), indica que la velocidad de variacin de la tensin es grande y su magnitud disminuye en valor absoluto.

Tremosa Pg.: 138 Transitorio de conexin y desconexin:

El transitorio de conexin representa el tiempo necesario para que la tensin y la corriente se estabilicen, llevando el sistema a rgimen permanente. El transitorio de desconexin representa el tiempo necesario para que el diodo anule la corriente, llevando al sistema al nuevo rgimen permanente. Utilizando el diodo en conmutacin, el comportamiento esperado sera que obtuvisemos que deje pasar la corriente en el hemiciclo positivo, y que bloquee totalmente el hemiciclo negativo. En la realidad, esto no ocurre, debido al transitorio de desconexin, que implica hacer regresar a su zona de origen los portadores almacenados en las zonas neutras, implicando una corriente inversa, durante un cierto tiempo.

Mientras el diodo est polarizado en inverso, en las zonas neutras se generan portadores por efecto de la agitacin trmica. En los bordes de cada zona, los portadores minoritarios generados dentro de una distancia de una longitud de difusin se difundirn hacia la zona de transicin, y el campo los impulsar hacia el otro lado donde son mayoritarios. Dichos portadores en exceso que aparecen en cada zona, sern extrados por la fuente mediante la polaridad inversa que tiene. De ste modo se preserva la neutralidad. En el estado de polarizacin directa, los portadores minoritarios inyectados en cada zona se recombinan por difusin, a medida que se alejan de la juntura, con los mayoritarios de esa zona. Este flujo de mayoritarios que desaparecen es devuelto por la fuente mediante la polaridad directa, restableciendo la neutralidad.

Denominaciones de los tiempos puestos en juego: frt = tiempo de recuperacin directa: Es el tiempo que tarda la tensin en ir del valor de tensin

inversa, al valor de tensin de trabajo del diodo. rrt = tiempo de recuperacin inversa: Es el tiempo que tarda la tensin en ir del valor de tensin de

trabajo del diodo, al valor de tensin inversa. Tambin es el tiempo que tarda la corriente inversa en recuperarse en el valor de SI . Est compuesto por dos retardos: st = retardo por almacenamiento: Va desde el instante en que se conmuta de directo a inverso,

hasta el instante en que la tensin se hace 0 en el diodo. Tambin es el tiempo que dura la corriente inversa en el valor RI .

tt = retardo de transicin: Tiempo que toma la corriente inversa en ir desde RI hasta SI .



Los siguientes grficos y su explicacin aclaran la situacin:

En la figura (a) se representa el voltaje aplicado al circuito serie con una resistencia y un diodo. Desde 0 hasta 0 la tensin es positiva, y desde 0 hasta 0 es negativa En la figura (b) vemos que, en el hemiciclo positivo, la corriente fluye normalmente, siguiendo la ley de Ohm, pero no as en el hemiciclo negativo, donde esperbamos que no existiera corriente. Lejos de ste caso, al haber portadores almacenados en la zona contraria a cada tipo, debido a la corriente directa que antes circulaba, se establece una corriente inversa para devolverlos a su zona de origen o recombinarlos, durante un cierto tiempo st . Luego sta corriente comienza a disminuir, hasta que se estaciona en el valor SI , que es la corriente inversa del diodo. En la figura (c), se representa la carga en el capacitor de las zonas neutras. Se ve que asintticamente se carga el circuito, y que cuando la corriente es inversa, se descarga, pero al llegar al valor SQ , se queda en l (haciendo la relacin con la

SI ). En la figura (d) se representa la tensin en el diodo, en su polarizacin directa e inversa.

Las siguientes figuras representan las variaciones de las cargas en las zonas neutras y su distribucin:

El punto ( )0np crece desde el valor inicial 0np , al valor final en rgimen permanente.

La corriente en la zona neutra circula exclusivamente por difusin. A partir de ste principio, podemos determinar el ngulo .



El ngulo ser: pDAqR

V...

tan = , donde el doble signo representa que puede ser utilizado tanto en la

conexin como en la desconexin. La necesidad de un ngulo constante nace de la imposicin del circuito de una corriente constante, y determina la deformacin de las curvas de distribucin de portadores de ambas figuras. Desde un comienzo se supuso una tensin con una resistencia en serie grande respecto a la del diodo, entonces la corriente ser constante y por lo tanto el ngulo tambin. Es por eso que depende de la tensin y de la resistencia. La deformacin penetra ms cuanto mayor es la velocidad de conmutacin. La condicin fundamental de un diodo que pretenda conmutar rpidamente es un bajo valor de tiempo de recombinacin.

Tremosa Pg.: 141 y Guinzburg Pg.: 9-3

UNIDAD II: DIODOS DE JUNTURA Diodo de juntura P-N

Diodos reales:

Como ya hemos visto, el diodo es un dispositivo semiconductor de juntura P-N. Su curva caracterstica es la siguiente (diodos de Germanio y de Silicio)

Esta curva deriva de la ecuacin que relaciona corriente y tensin en el diodo, pero teniendo en cuenta todos los efectos que en l se producen, vale decir: resistencia de las zonas neutras, regin de Zner o avalancha, fugas de corriente, etc. Como podemos ver, existe una cierta tensin en polarizacin directa a partir de la cual, el diodo se comporta prcticamente como un cortocircuito. Llamaremos a esa tensin TV (distinta a la tensin trmica que hemos visto hasta ahora). sta difiere en ambos materiales, y toma los valores:

( )( )Ge V3,0Si V7,0

T

T

VV

Si tomamos en cuenta los efectos de la temperatura en la curva del diodo, veremos que a mayor temperatura, la curva se acerca ms al eje de las y en polarizacin directa y se aleja ms del eje de las x en polarizacin inversa.

Boylestad Pg.: 15 Niveles de resistencia:

Resistencia esttica o de DC:

Como vemos, la curva del diodo no es lineal, sino que su pendiente vara de un punto a otro. Esta pendiente determina la resistencia del diodo, en el punto de operacin, la cual no es una constante como en los elementos resistivos que cumplen con la ley de Ohm. sta resistencia depende del punto en el que operemos al dispositivo. Determinamos un nivel de resistencia esttica cuando aplicamos corriente continua al diodo, y determinamos un punto en la curva.



D

DD I

VR =

Vemos entonces, que a menor corriente, mayor ser la resistencia del diodo.

Resistencia dinmica o de AC:

Cuando al diodo le aplicamos una corriente alterna, el punto variar horizontal y verticalmente. Determinamos as un nivel de resistencia dinmica, con las variaciones sobre la recta tangente al punto de trabajo.

tangentela sobreD

Dd I

Vr

=

Pero no siempre podemos determinar la recta tangente. Entonces teniendo los dos puntos extremos, determinamos la secante y obtenemos una resistencia promedio:

secante la sobreav

D

D

IV

r

=

sta resistencia slo es vlida como aproximacin cuando la excursin de la seal es amplia.

Podemos aproximar el valor de la resistencia dinmica, aplicando la derivada a la ecuacin del diodo, y obtendremos:

Dd I

rmV26

=

para Germanio y Silicio, pero slo en las condiciones en que el punto de trabajo se encuentre en la regin lineal de operacin del diodo.

En todos los clculos anteriores no se ha tenido en cuenta la resistencia propia del semiconductor, que puede agregarse como un trmino ms en las frmulas, en caso de conocerla.

Boylestad Pg.: 20 Modelos aproximados (Circuitos equivalentes):

Como hemos visto, el diodo real necesita un cierto voltaje TV para encenderse, adems de tener una cierta resistencia avr . Entonces, la complicada curva del diodo ideal puede reemplazarse por un modelo equivalente de segmentos lineales, y el diodo real puede reemplazarse en un circuito por un equivalente de tres componentes, que incluye un diodo ideal. Dicho reemplazo simplifica mucho el anlisis para la utilizacin en polarizacin directa.



Dependiendo de las condiciones del circuito, podemos despreciar alguno de los componentes del modelo anterior. Por ejemplo, si la resistencia de la red es mucho mayor que la del diodo, podemos despreciar sta ltima, o si la tensin utilizada en la red es mucho mayor que la de encendido del diodo, podemos despreciar la fuente del modelo, y cumpliendo ambas condiciones a la vez, obtenemos el comportamiento de un diodo ideal.

Boylestad Pg.: 26 Anlisis por medio de la recta de carga:

Se puede dibujar una lnea recta sobre las caractersticas del dispositivo que represente la carga aplicada (o mejor dicho a la red). La interseccin de la recta con las caractersticas, determinar que punto de trabajo esttico Q . Tomemos el siguiente circuito serie:

Aplicando la ley de voltaje de Kirchoff y reordenando las variables, obtenemos una ecuacin para la recta de carga:

DD VRREI .1=


Definimos dos puntos que nos ayudan a graficar:

1. Sobre el eje DI , DV vale 0, entonces marcamos el punto

REI D =

2. Sobre el eje DV , DI vale 0, entonces marcamos el punto

EVD = 3. Trazamos la recta.

El anlisis es el mismo si tenemos en cuenta los equivalentes para el diodo real, y obtendremos resultados muy similares a los que llegamos sin aproximaciones.

Boylestad Pg.: 56 Aplicaciones de diodos:

Rectificadores:

Como la principal caracterstica del diodo ideal es conducir la corriente en un solo sentido, si le aplicamos una corriente alterna, conducir slo un hemiciclo de sta. En eso se basan los circuitos rectificadores.



Rectificador de media onda: Est conformado por un diodo y una resistencia de carga. Durante el hemiciclo positivo de la onda, el diodo est encendido, y la onda pasa tal cual es. Durante el hemiciclo negativo, el diodo est apagado, y no hay tensin en la carga. La seal de salida tiene un valor promedio de continua que es:

pimax

maxdc .318,0V

VV ==

Por supuesto, el diodo debe tener un voltaje de pico inverso dado por:

maxPIV V /*Estudiar el desarrollo*/

Rectificador de onda completa (puente): Est conformado por cuatro diodos formando un puente. Durante el hemiciclo positivo de la onda, la seal pasa por el diodo 2, la resistencia y el diodo 3, dejando en la carga la misma forma que en la entrada. Durante el hemiciclo negativo, la onda positiva pasa por el diodo 4, la resistencia y el diodo 1, dejando la misma seal que en la entrada, pero invertida sobre el eje horizontal. Tenemos as dos hemiciclos positivos en la salida. La seal de salida tiene un valor promedio de continua que es:

pimax

maxdc.2

.636,0 VVV ==

El diodo debe tener un voltaje de pico inverso dado por: maxPIV V

/*Estudiar el desarrollo*/

Rectificador de onda completa (con transformador con punto medio): Este rectificador da el mismo resultado que el de puente, slo que aqu se requieren 2 diodos y un transformador con derivacin central o punto medio. Durante el hemiciclo positivo de la seal, funciona el diodo 1, y el 2 est apagado. La seal se replica en la resistencia. Durante el hemiciclo negativo, funciona el diodo 2, y el 1 est apagado, pues el nodo del nmero 2 ahora es positivo. La seal se replica de manera positiva en la resistencia. La seal de salida tiene un valor promedio de continua que es:

pimax

maxdc.2

.636,0 VVV ==

El diodo debe tener un voltaje de pico inverso dado por: max.2PIV V

/*Estudiar el desarrollo*/

Boylestad Pg.: 74



Recortadores:

Recortadores simples en serie (diodos ideales) POSITIVO NEGATIVO

Recortadores polarizados en serie (diodos ideales) POSITIVOS NEGATIVOS

Recortadores simples en paralelo (diodos ideales) POSITIVO NEGATIVO

Recortadores polarizados en paralelo (diodos ideales) POSITIVOS NEGATIVOS

/*Estudiar el desarrollo*/ Boylestad Pg.: 81



Sujetadores:

Estos circuitos se basan en la aplicacin de los diodos en paralelo con una resistencia y con un capacitor en serie, el cual se carga y se descarga, generando un desplazamiento de la onda. Lo importante es que la onda se desplaza, pero mantiene el largo (distancia de pico a pico).

/*Estudiar el desarrollo*/ Boylestad Pg.: 88

Compuertas lgicas:

AND OR

Cuando los dos terminales estn en alto, en la salida hay un estado alto debido a que la diferencia de potencial en los diodos es 0. Cuando alguno est en bajo, ese diodo se polariza en directo y el voltaje en la salida es el voltaje del diodo ( V7,0 )

Cuando los dos terminales estn en bajo, la salida es un estado bajo, porque no hay tensiones en la red. Cuando alguno est en alto, ese diodo conduce y hay tensin en la resistencia, y por lo tanto en la salida hay un voltaje de

V3,9 /*Estudiar el desarrollo*/

Boylestad Pg.: 72



Otros diodos de juntura

Diodo Zner:

El diodo Zner puede trabajar en base a dos principios fundamentales: efecto tnel y efecto avalancha. En ambos casos las curvas son iguales, pero internamente responden a fenmenos fsicos distintos. El smbolo para ste dispositivo es el que se ve en la figura. Tambin vemos aqu su curva caracterstica.

Diodo Zner por efecto tnel:

Se trata de una juntura ++ np , altamente contaminada pero sin llegar a que el nivel de Fermi se solape con las bandas, sino que queda levemente cercano. El efecto tnel en sentido inverso se produce slo despus de aplicar una pequea tensin inversa ZV . En sentido directo, el diodo se comporta como una juntura p-n normal. El efecto tnel en sentido inverso slo puede producirse cuando la distancia l (ancho de la zona de transicin) es pequea, vale decir, cuando las contaminaciones de ambas zonas son relativamente fuertes.

Si las contaminaciones son menores, el ancho de la juntura es demasiado grande, por lo que antes que el campo elctrico llegue al valor crtico necesario para que se produzca tunelamiento, se produce un nuevo efecto, llamado avalancha, que determina tambin un valor de tensin Zner.

Con ste principio se fabrican diodos Zner con bajas tensiones de Zner.

La caracterstica trmica de stos dispositivos, es que al aumentar la temperatura, disminuye la tensin Zner.

Diodo Zner por efecto avalancha:

En una juntura p-n, con polarizacin inversa, el campo elctrico en la zona de carga espacial acelera a los portadores minoritarios generados por efecto trmico a ambos lados de la juntura. Estos portadores minoritarios determinan la corriente de saturacin inversa. Si la tensin es excesiva, los portadores minoritarios que determinan SI se mueven con tal velocidad que pueden, al hacer impacto sobre los tomos del cristal, provocar la ionizacin de los mismos. Con esto, se generan nuevos pares de portadores, que volvern a chocar con otros tomos, y desprender nuevos pares de portadores, y as sucesivamente. ste es el llamado efecto avalancha, que produce en la curva una pendiente altsima, ya que en ese valor crtico de tensin ( ZV ) la corriente tiende a infinito.

Con ste principio se fabrican diodos Zner con medias y altas tensiones de Zner.

La caracterstica trmica de stos dispositivos, es que al aumentar la temperatura, aumenta la tensin Zner.

Tremosa Pg.: 287 Aplicaciones: Regulador paralelo:

Los pasos a seguir para el anlisis de los circuitos que incluyen un diodo Zner, son los siguientes:



1. Determinar el estado del diodo Zner (encendido/apagado) mediante su eliminacin del circuito y por medio del clculo de del voltaje a travs de ese circuito abierto.

2. Sustituir por el circuito equivalente apropiado (fuente de tensin con voltaje ZV en el caso que el diodo est encendido) y resolver para las incgnitas deseadas.

Utilizando el dispositivo como regulador de tensin en paralelo, con una tensin iV fija, debemos tener frmulas que nos permitan determinar entre qu rangos debe estar la resistencia de carga para que el diodo est encendido.

Zi

ZL VV

VRR

=

.

min y

min

max

L

ZL I

VR =

min

max

L

ZL R

VI = y ZMRL III =min

Donde ZMI es el dato de corriente mxima que soporta el diodo.

Utilizando el dispositivo de la misma manera, pero con una resistencia LR fija, debemos determinar entre qu rangos debe estar la tensin de entrada para que el diodo est encendido:

( )L

ZLi R

VRRV .min

+=

y ( ) ZLZMi VRIIV ++= .max /*Estudiar el desarrollo*/

Boylestad Pg.: 92 Diodo Tnel:

El efecto tnel es un mecanismo cuntico, mediante el cual un electrn puede vencer barreras de potencial mayores que la energa cintica que posee. Se produce slo entre estados con la misma energa. Un diodo tnel est formado por una juntura ++ np , cuyo diagrama de energas en equilibrio es el siguiente:

Se observa que tanto la zona p como la zona n estn muy contaminadas. La ubicacin del nivel de Fermi en ambos casos, fuera de la banda prohibida, as lo indica. Esto ocasiona que el ancho de la juntura sea relativamente pequeo, y a travs de l surgir una barrera de potencial 0V . sta barrera ser superada por tunelamiento por los portadores, debido al pequeo ancho de la juntura.

Vemos a continuacin la curva caracterstica de corriente y tensin.



La mejor manera de explicar el funcionamiento, es a travs de los diagramas de energas:

En ste caso la polarizacin es inversa y los electrones pasan, por efecto tnel, de la banda de valencia de la zona p+ a la banda de conduccin de la zona n+. La transicin ocurre entre niveles energticos iguales. El efecto tnel se produce debido al pequeo ancho de la barrera de potencial. La poca probabilidad de tunelamiento se compensa con la gran cantidad de portadores en el intervalo de energa. Al aumentar la tensin inversa, aumenta el intervalo de energa, y por lo tanto la corriente inversa.

La polarizacin ahora es directa, pero la barrera de potencial es an suficientemente grande como para que los electrones no puedan vencerla por agitacin trmica normal. Hay electrones de conduccin enfrentados dentro de un rango E con estados vacos y permitidos en la banda de valencia opuesta. El efecto tnel se produce y la corriente directa aumenta a medida que aumenta el intervalo de energa de enfrentamiento.

En sta zona el enfrentamiento de intervalos de energa es mximo, y por lo tanto se produce la mxima corriente por efecto de tunelamiento. Estamos en la zona de pico, donde se determinan los parmetros de Corriente de Pico y Tensin de Pico (Punto 3 de la curva).

El intervalo de energa enfrentado comienza a disminuir nuevamente.

El intervalo de energa enfrentado es ahora nulo, y por lo tanto la conduccin de corriente comienza a comportarse siguiendo los principios de una juntura p-n normal. Estamos en la zona de valle, donde se determinan los parmetros de Corriente de Valle y Tensin de Valle (Punto 5 de la curva).

Aqu el comportamiento es similar a un diodo de juntura p-n normal.



Las caractersticas que presenta ste dispositivo en su polarizacin inversa, hace que se utilice en el campo de la conmutacin a alta velocidad, debido a que, como la conduccin es de naturaleza ondulatoria, no existe tiempo de trnsito ni almacenamiento de portadores.

En la zona que va desde el punto de Pico (3) y el punto de Valle (5), la resistencia dinmica es negativa, ya que una excursin positiva de tensin establece una excursin negativa en la corriente. Este comportamiento no afecta la resistencia esttica, ya que los valores puntuales son ambos positivos. sta resistencia negativa no implica que el dispositivo genere energa, sino que transforma la energa que recibe en corriente continua, en energa de corriente alterna.

Si trazamos la recta de carga de la red donde aplicamos el circuito, vemos que puede trazar hasta tres puntos de operacin en las caractersticas. Los puntos donde la resistencia es positiva, se llaman estables, porque un pequeo cambio no altera el estado. El punto en la zona de resistencia negativa se llama inestable, pues un pequeo cambio en la red lo lleva a la zona estable. Para poder trabajar de manera estable con la resistencia negativa, debemos elegir parmetros de la red para que la recta de carga toque slo al punto en esa zona. Esto se hace con altas corrientes y bajas tensiones.

Tremosa Pg.: 281 Aplicaciones: Osciladores:

Es posible utilizar el diodo tnel para generar un voltaje senoidal simplemente mediante una fuente de corriente continua, un circuito tanque y un diodo tnel, que, polarizado en la regin de resistencia negativa, compensa la resistencia interna de la bobina, para eliminar la componente de amortiguamiento del circuito. La red quedara como en la figura, y el diseo se limita a encontrar las condiciones para lograr la polarizacin en la regin mencionada.

Boylestad Pg.: 898 Diodo Schottky:

El diodo Schottky es un dispositivo formado uniendo un metal con un semiconductor (generalmente tipo n).Su smbolo es el que se ve en la figura.

Los niveles energticos de un metal y un semiconductor son, individualmente, como muestra la figura:



Y cuando realizamos la unin, los niveles energticos quedarn as:

La barrera de potencial disminuir para la polarizacin directa, ya que hay un aumento de la energa de Fermi en el semiconductor, y por lo tanto corriente de electrones hacia el metal. Entonces, tomando una unin n-metal, y polarizndola en forma directa (es decir, el terminal negativo al semiconductor tipo n), existe corriente debido a los electrones del semiconductor que pasan al metal. La barrera de potencial aumentar en condiciones de polarizacin inversa, ya que hay una disminucin de la energa de Fermi en el semiconductor, y por lo tanto mayor dificultad para que los electrones del metal pasen al semiconductor. Entonces, si polarizamos al diodo Schottky en forma inversa (positivo al lado n), no existe corriente.

Las principales caractersticas de ste dispositivo son: Para una determinada corriente, presenta menor cada de tensin que un diodo comn. Los portadores que determinan la corriente son exclusivamente mayoritarios, por lo que no

hay almacenamiento de cargas y el tiempo de almacenamiento es prcticamente nulo. Esto le permite al diodo Schottky trabajar en conmutacin a altas frecuencias.

Al saber esto surge una pregunta: En qu difiere un diodo Schottky de un contacto metal-semiconductor comn? La respuesta es: en el nivel de Fermi del metal. Para un semiconductor tipo n, ser diodo Schottky la unin cuyo metal tenga una energa de Fermi inferior a la del semiconductor, y ser un contacto hmico la unin cuyo metal tenga una energa de Fermi superior a la del semiconductor. Para un semiconductor tipo p, ser a la inversa.

Contactos hmicos: Si el nivel de Fermi del metal es mayor al del semiconductor tipo n (o inferior al del tipo p), los electrones no enfrentarn barreras de potencial para su flujo, en ninguna de sus dos direcciones, vale decir, del semiconductor al metal y viceversa. Por lo tanto se comportarn como simples contactos. Esto es de gran utilidad para poder conectar dispositivos semiconductores con terminales que permitan su aplicacin electrnica.

Tremosa Pg.: 293 y Boylestad Pg.: 889 Diodo Varicap (o Varactor):

Los diodos varactores son capacitores de semiconductor variables y dependientes del voltaje. Su modo de operacin depende de la capacidad de transicin que existe en la unin p-n cuando sta se polariza en inverso. Mientras ms se polariza en inverso, menor es el ancho de la zona de transicin, y por lo tanto, mayor es la capacidad. sta se define como:



dT W

AC .=

donde es la permitividad de los materiales semiconductores, A es el rea de la unin y dW es ancho de la zona de transicin.

Si queremos relacionar la capacidad de transicin respecto del voltaje inverso aplicado, podemos calcularla aproximadamente como:

( )nRTT VVKC+

=

donde K es una constante determinada por el material y la tcnica de construccin, TV es el voltaje de encendido del diodo, RV es el voltaje inverso aplicado, y 2/1=n para uniones de aleacin y 3/1=n para uniones de difusin.

Tambin, en trminos de la capacidad en la condicin de polarizacin cero ( )0C , podemos expresarla como:

( ) ( )( )nTRRT VVCVC

+=

10

stos diodos se utilizan para controlar la sintonizacin, a travs de la variacin de la capacidad del diodo, mediante la variacin de la polarizacin aplicada al mismo. Esto permite controlar electrnicamente la frecuencia de resonancia.

Boylestad Pg.: 892



UNIDAD III y IV: TRANSISTORES BIPOLARES

Anlisis Inicial

Construccin y Caractersticas del BJT:

Un transistor es un dispositivo semiconductor de tres terminales. Se construye de la siguiente manera:

Transistor PNP:

Transistor NPN:

La Flecha del smbolo define el sentido convencional de la corriente que circula por ese terminal. Boylestad Pg.: 131

Convenciones y Nomenclaturas:

Boylestad Pg.: 133

E C

B

CEV

EBV CBV

E C

B

EI CI

BI

Transistor NPN

E C

B

EI CI

BI

Transistor PNP

N++ (altamente impurificado)

P (poco

impurificado) (tamao pequeo)

N (normalmente impurificado)

Emisor

Base

Colector

E C

B

Smbolo

P++ (altamente impurificado)

N (poco

impurificado) (tamao pequeo)

P (normalmente impurificado)

Emisor

Base

Colector

E C

B

Smbolo



Funcionamiento con polarizacin normal:

Describiremos el accionar del transistor PNP, dejando en claro que para el NPN invertimos la polaridad de la fuente, y reemplazamos huecos por electrones y viceversa.

El funcionamiento se describe de la siguiente manera: 1. La juntura P-N que hay entre emisor y base se polariza en directo. 2. Como la parte tipo P de esa juntura est muy dopada, hay un gran flujo de huecos hacia el lado N.

Una parte de esos huecos inyectados en el lado P se recombinan con electrones provenientes de la corriente de base en ese mismo lado.

3. Como la zona N est poco dopada y es pequea comparada con su longitud de difusin, gran parte de los huecos seguir hacia el otro lado P por difusin (debido a que es una zona neutra). Una pequea parte se recombina con electrones provenientes de la corriente de base.

4. Como la juntura N-P que hay entre base y colector est polarizada en inverso, se genera un campo elctrico que favorece el flujo de huecos hacia el lado P. Esos huecos logran salir a travs de la corriente de colector.

5. Existe tambin una pequea corriente entre base y colector debida a la polarizacin inversa. A ella la llamamos COI .

Hay ciertas consideraciones importantes a tener en cuenta sobre el funcionamiento del transistor: Siempre polarizo en directo la juntura de entrada (Emisor-Base) y en inverso la de salida (Base-

Colector). La tensin aplicada a la juntura Base-Colector no modifica la cantidad de portadores, slo

favorece ms o menos su movimiento hacia la salida. Los portadores son controlados a travs del voltaje aplicado a la juntura Emisor-Base, o sea que la difusin a travs de la base es la que limita el nmero de portadores que llegan al colector.

Resumiendo las corrientes en el transistor vemos que:

E

B

C

P N P

EI CI

BI

COI EBI

ECI

E

B

C

P N P

gran parte de los huecos pasa de largo y sale por

colector

huecos

huecos elect

h

e

EI CI

BI

E COI

EEV CCV



Definiremos dos parmetros importantes a la hora de analizar los efectos de la corriente contnua en el transistor:

Alfa:

Definimos ste factor como E

EC

II

= .

Beta:

Llamado tambin FEh o ganancia, lo definimos como: EB

EC

II

=

La relacin entre estos dos factores es la siguiente:

=

1 y

+=

1

Conociendo stos dos factores, podemos definir ecuaciones fundamentales del transistor:

BEC III +=

COEC III += . /*Estudiar la demostracin*/

( ) COBC III .1. ++= /*Estudiar la demostracin*/

Y de ellas podemos aproximar ecuaciones prcticas para resolver los circuitos:

EC II

BC II .=

( ) BE II .1+= /*Estudiar las deducciones*/

Tambin podemos afirmar (aproximadamente) que V7,0=BEV por ser juntura P-N en directo. Boylestad Pg.: 132

Efecto Early:

El efecto Early nos muestra que existe un cierto lmite para el aumento de CBV . Esto se da porque, al aumentarlo, la Zona de Transicin Base-Colector aumenta de tamao debido a la polarizacin inversa, lo que hace disminuir el tamao fsico de la Base. Lo mencionado trae como consecuencia que aumente el y, por ende, aumente CI . Llega un momento en que la disminucin del tamao de la Base llega a hacerla desaparecer, y se produce una PERFORACIN del transistor, provocando su destruccin.

BUSCAR ALGN LIBRO.:



Configuraciones: Base Comn:

Esta configuracin sita la corriente de entrada ( EI ) como funcin de la polarizacin Base-Emisor, respecto al parmetro de polarizacin Colector-Base, y a la corriente de salida ( CI ) como funcin de la polarizacin Colector-Base, respecto al parmetro de la corriente de Emisor.

Curvas Caractersticas: CURVA DE ENTRADA

Para un valor de BEV constante, a un aumento de CBV le corresponde un aumento de EI . Esto se

debe a que al aumentar CBV , la zona de transicin de la juntura de colector aumenta (polarizacin inversa), disminuyendo el ancho efectivo de la base. Esto hace que, como la distancia en la base es menor, la pendiente de la concentracin de portadores ser ms negativa, ocurriendo ms difusin de portadores, y por lo tanto dejando pasar ms corriente desde el emisor.

CURVA DE SALIDA

Boylestad Pg.: 134 Emisor Comn:

Es la configuracin ms utilizada. En la entrada relaciona la corriente de Base con el voltaje entre Base y Emisor, con el parmetro CEV . En la salida, vincula la corriente de Colector con el voltaje entre Colector y Emisor, con parmetro en la corriente de Base. Es decir que controlamos la corriente de Colector, a travs de la corriente de Base.



Curvas Caractersticas:

CURVAS DE ENTRADA

CURVAS DE SALIDA

En la curva de entrada, si CEV aumenta para un valor fijo de BEV , la BI disminuye. Esto se debe a que con la disminucin del tamao de la base, hay menos probabilidad de recombinacin, y por lo tanto, la corriente de base debe reponer menos cantidad de portadores recombinados. Vemos que las curvas de salida se acercan a medida que BI aumenta. Esto se debe a que disminuye. La pendiente en las curvas se debe al Efecto Early.

Boylestad Pg.: 139 Colector Comn:

En sta configuracin se relacionan, en la entrada, los mismos parmetros que para Emisor Comn. En la salida igual, slo difiere que en sta se grafica EI en funcin de CEV para un rango de valores de BI .

Curvas Caractersticas: Son iguales que para el caso de Emisor comn, slo que se reemplaza CI por EI en las curvas de salida.

Boylestad Pg.: 146 Lmites de Operacin:

Las hojas de especificaciones de los transistores nos brindan informacin acerca de los valores nominales mximos, mnimos y tpicos de los parmetros ms importantes de los dispositivos. Algunos de estos parmetros son:

maxCI satCEV maxCEV maxCP etc. Si los tomamos en cuenta a la hora de trabajar con un transistor determinado, podemos definir los lmites de operacin en zona activa. Adems de las Zonas de Corte y de Saturacin, podemos demarcar una zona de corriente mxima, una de tensin mxima y una de potencia mxima. Esta ltima se define a partir de la definicin de potencia, y despejando la corriente como variable dependiente. Obtenemos una hiprbola cuya ecuacin es:

CE

CC V

PI max=



La regin de operacin ser entonces:

Boylestad Pg.: 147

Anlisis en Corriente Continua

Polarizacin del transistor bipolar:

Para usar el transistor como amplificador de una seal de AC, necesitamos proporcionarle la energa de corriente continua que convertir en energa de corriente alterna, amplificando la seal de entrada. Por supuesto que el punto de trabajo Q debe estar dentro de los lmites de operacin.

Boylestad Pg.: 163 Estabilizacin de la polarizacin:

Las distintas configuraciones de polarizacin que veremos, difieren en su estabilidad ante cambios de temperatura y de transistor. Cuando la primera aumenta, algunos parmetros cambian, provocando cambios en el sistema que no son deseables. Cuando debemos reemplazar el transistor, algunos parmetros cambian, haciendo que cambien las condiciones del sistema.

Boylestad Pg.: 210 Factores de estabilidad (inestabilidad):

Una manera de cuantificar esa estabilidad es a travs de la definicin de factores que nos proporcionarn informacin acerca de cunto vara la corriente de salida con el cambio de temperatura, respecto a cada factor cambiante en el circuito. Estos factores son:

( )CO

C

CO

CCO I

IdIdI

IS

=

( )BE

C

BE

CBE V

IdVdIVS

=

( )

= CCI

ddIS

Cuanto ms grande es el factor, ms inestable es el sistema.

La variacin neta en la corriente CI , se determina multiplicando la variacin de cada parmetro por su factor de estabilidad correspondiente, y sumando los resultados. Es decir:



( ) ( ) ( ) ++= ... SVVSIISI BEBECOCOC Boylestad Pg.: 212

Recta de carga (Polarizacin):

Si analizamos la malla de salida de los circuitos que armemos en las distintas polarizaciones, y despejamos la corriente de salida, obtendremos la ecuacin de la recta de carga. En esa recta deberemos ubicar el punto de trabajo para que nuestro transistor est bien polarizado. As trabajaremos con todas las polarizaciones.

Boylestad Pg.: 163 Polarizacin Fija:

En sta configuracin, ponemos resistencias en la base y en el colector. Se arman entonces dos mallas sencillas: de entrada con un resistor y de salida con otro resistor. A continuacin estn las ecuaciones de ambas mallas:

+=

+=

M.S...M.E..

CECBCC

BEBB

VRIVVRIVcc

Obsrvese que la magnitud de CI no depende de la resistencia CR , la cual s determinar el nivel de CEV .

Estabilidad: Si hacemos un anlisis cualitativo de la estabilidad de sta polarizacin veremos que: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) CERCCCO VVIIT

ES MUY INESTABLE Los factores de estabilidad sern:

( ) 1+= COIS ( )B

BE RVS =

( )1

1

CIS =

/*Estudiar las deducciones*/ Boylestad Pg.: 167

Polarizacin estabilizada en Emisor:

Esta configuracin es igual a la polarizacin fija, pero agregando un resistor en el emisor. Este agregado le da un toque de estabilidad al sistema. A continuacin estn las ecuaciones de ambas mallas:

( )( )

++=

+++=

M.S...M.E...1.

CEECBCC

EBBEBB

VRRIVRIVRIVcc



Estabilidad: Si hacemos un anlisis cualitativo de la estabilidad de sta polarizacin veremos que: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )"""" CBBEREECCO IIVVIIIT ES ESTABLE, porque la primer tendencia de disminucin de CI se compensa con el posterior aumento.

Los factores de estabilidad sern:

( )

++

+=

BE

BECO

RRRR

IS

1.1

1

( ) ( ) EBBE RRVS .1 ++

= ( ) ( )( )EB

EBC

RRRRIS

++

+=

21

1

1.1.


Polarizacin con realimentacin Colector-Base:

En sta configuracin, sacamos corriente desde el colector, creando una realimentacin. La resistencia en el emisor puede o no estar. Si no est, las reemplazamos en las frmulas por un valor nulo. A continuacin estn las ecuaciones de ambas mallas:

( )

++=

+++=

M.S...M.E......

CEECBCC

EBBEBBCB

VRRIVRIVRIRIVcc

Estabilidad: Si hacemos un anlisis cualitativo de la estabilidad de sta polarizacin veremos que: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )"""" CBCERCECCO IIVVIIIT ES ESTABLE, porque la primer tendencia de disminucin de CI se compensa con el posterior aumento.

Para los factores de estabilidad, tomaremos la configuracin con = 0ER

( )

++

+=

BC

BCCO

RRRR

IS

1.1

1

( ) ( ) CBBE RRVS .1 ++

= ( ) ( )( )[ ]21

1

1...

+++

=

CB

CBC

RRRRIS


Polarizacin por divisor de tensin:

sta configuracin es la ms estable de todas. La tensin que obtenemos en la base, respecto a masa, est controlada por ser un divisor de tensin. El precio que pagamos por la estabilidad, es un mayor costo, ya que usa 4 resistores, y la necesidad de obtener ms potencia de la fuente. La gran estabilidad que se obtiene es tal que hace al sistema estable en temperatura y, si se cumplen ciertas condiciones, prcticamente independiente del del transistor. Tenemos dos enfoques circuitales para resolver nuestro circuito:



Enfoque exacto: Se basa en la aplicacin del teorema de Thvenin entre la base y la masa, para reemplazar esa red por una fuente con tensin THV y una resistencia THR .

21

2.

RRRVV CCTH +

= y 21

21.

RRRR

RTH +=

Las ecuaciones de malla para ste caso quedarn determinadas como:

( )( )

++=

+++=

M.S..M.E...1.

CEECBCC

EBBETHBTH

VRRIVRIVRIV

Enfoque aproximado: Podemos emplear un enfoque aproximado, si se cumple la condicin:

2.10. RRE Tomamos entonces:

21

2 .

RRVRV CCB +

=

y aplicamos los pasos: ==E

EEBEBE R

VIVVV EC II Q

Obsrvese que para ste anlisis, si se cumple la condicin inicial las ecuaciones no contienen el parmetro , por lo tanto, la configuracin es independiente del mismo.

Estabilidad: Si hacemos un anlisis cualitativo de la estabilidad de sta polarizacin veremos que: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )"""" CBBEREECCO IIVVIIIT

MUY ESTABLE, porque la primer disminucin de CI se compensa con el aumento instantneo. Los factores de estabilidad sern:

( )

++

+=

ETH

CO

RR

IS

11

.1

1

( ) ( ) ETHBE RRVS .1 ++

= ( ) ( )( )ETH

ETHC

RRRRIS

++

+=

21

1

1.1.


Transistores PNP:

Por fortuna, el anlisis de los transistores pnp sigue el mismo patrn que para los npn. La diferencia se da en que como los portadores son diferentes, las direcciones convencionales de las corrientes cambian, cambiando, por lo tanto, las polaridades individuales de los elementos resistivos y el signo del voltaje de la fuente. Las polaridades de las tensiones en el transistor siguen tomando la misma nomenclatura de los subndices, por lo tanto, para pnp, sern cantidades negativas. La figura aclara la situacin.

Boylestad Pg.: 209



El BJT en Conmutacin: Saturacin y Corte:

Recordando las zonas de operacin del transistor, donde identificbamos la zona de corte y la de saturacin, vemos que para hacerlo trabajar en esos estados, debemos lograr, o bien tensin muy cercana a cero entre colector y emisor (saturacin) o bien corriente muy cercana a cero en la malla de colector (corte).

Para la situacin de corte, basta con introducir una corriente de base de valor cero, con lo cual la corriente de colector ser tambin nula, y el potencial de la fuente se ver reflejado en CEV . Mientras que para la situacin de saturacin, debemos calcular la corriente CsatI que me produzca una cada de tensin cero entre colector y emisor. Esto se hace, dividiendo la tensin de la fuente sobre la suma de las resistencias que tengo en la malla de salida. El caso ms general ser:

( )ECCC

C RRV

I+

=sat

Para sta corriente, necesitamos un valor de BI determinado, pero conviene que sea mayor, por cualquier variacin del circuito. Entonces tenemos que:

satC

BI

I >

En la realidad, CEV nunca es cero, sino un valor determinado. Este es aproximadamente en la mayora de los casos:

V3,0sat CEV

Un ejemplo claro de la aplicacin de la conmutacin en el transistor es usarlo como inversor de un voltaje aplicado en la base. A saber:

Como en Corte hay altas tensiones pero bajas corrientes y en Saturacin hay altas corrientes y bajas tensiones, generalmente no hay problemas de disipacin de potencia cuando trabajamos en esos regmenes.

Boylestad Pg.: 201 Retardos en la conmutacin:

Vemos en el siguiente grfico los retardos puestos en juego en la conmutacin de un transistor bipolar.

CV V5

t

iV V5

t



El tiempo total requerido para que el transistor conmute del estado de apagado al de encendido se define como:

dr ttt +=on

donde rt es el tiempo de subida de 10 a 90% del valor final de la corriente, y dt es el tiempo que tarda en responder el transistor a la seal de entrada. El tiempo total requerido para que el transistor conmute del estado de encendido al de apagado se define como:

fs ttt +=off

donde st es el tiempo de almacenamiento y ft es el tiempo de cada de 90 a 10% del valor final de la corriente.

Boylestad Pg.: 205 Reduccin de los retardos:

Compensacin Capacitiva:

Para poder trabajar en conmutacin a altas frecuencias, debemos reducir los retardos. Una manera de hacerlo es poner un capacitor en paralelo con la resistencia de base de tal manera que a altas frecuencias presente baja reactancia, y la corriente tienda a pasar por el capacitor. Tambin puedo aumentar el valor de la fuente de seal. El agregado del capacitor se basa en que rt se reduce al agregarlo porque existe en un instante inicial un pico de corriente de base. Luego la misma corriente se estabiliza en su valor normal. Cuando entre en corte, la tensin almacenada en el capacitor, har circular una corriente inversa, mayor que la normal, que extraer ms rpidamente la carga acumulada en la base, reduciendo el offt .

Guinzburg Pg.: 9-36 Transistor Schottky:

Existen transistores especialmente fabricados para trabajar a altas frecuencias. Estos son los transistores Schottky, que equivalen a un transistor normal, con un diodo Schottky conectado entre colector y base. El diodo Schottky enclava la tensin de colector en la saturacin, impidiendo el almacenamiento de cargas en la base y disminuyendo as el tiempo de conmutacin.

Tremosa Pg.: 298 Configuracin Ttem Pole:

Los circuitos de conmutacin en emisor comn tienen un capacitor entre colector y emisor que se carga lentamente, pero se descarga rpidamente. En cambio, en un seguidor-emisor, conectando un capacitor en el emisor, se cargar rpido pero se descargar lentamente. stas propiedades se usan en la configuracin Ttem Pole, que se basa en la complementacin de dos transistores funcionando en los regmenes anteriores. La siguiente figura muestra cmo se interconectan.


U.T.N. F.R.M. - 46

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Resumen Dispositivos Electrónicos