Tema 4. Dispositivos Electrónicos

FUNDAMENTOS FISICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 1

Grado en Ingeniería Informática

Tema 4. Dispositivos Electrónicos

4.1.4.1.-- Conceptos bConceptos b áásicos de semiconductores. sicos de semiconductores. UniUni óón PNn PN

4.2.4.2.-- El El DiodoDiodo

4.3.4.3.-- El El Transistor MOSFET Transistor MOSFET



Estructura del Si enlaces covalentes

T=0ºK



T=300ºK

A temperatura ambiente

Hueco

Electrón

n: concentración de electrones

p: concentración de huecosn=p



Si dopado con impurezas donadorasP: FosforoAs: ArsenicoSb: Antimonio

Semiconductor tipo N n>p

ND: concentración de impurezas donadoras



Si dopado con impurezas aceptadoras

Semiconductor tipo P

n<p

B: Boro

Al: Aluminio

Ga: GalioNA: concentración de impurezas donadoras



Unión PN



Equilibrio Directa Inversa



4.2 Diodo y transistor BJT

4.2.1 Diodo

Un diodo de unión es una unión P-N con dos contactos óhmicos

exteriores.

Su símbolo es:

_

- -

- -

- -

- -

+ ++++ ++++

+P N



Su característica, en primera aproximación:

Vamos a trabajar con modelos más sencillos, modelos lineales.

−= 1T

D

V

V

SD eII

A10

)K300( mV26

14−=

==

s

T

I

q

kTV

VD

ID

VV 7.06.0 −≈γ

VT: tensión térmicak: Cte. de BolztmanT: temperatura absolutaq: carga del electrónIS: corriente inversa de saturación



Los modelos que se suelen utilizar son:

Modelos lineales

Modelo 1

si VD < 0 => ID =0

si VD > 0 => ID >0

Es un buen modelo si γVVD >>



Modelo 2

Tensión constante entre los extremos del diodo:

00 >⇒>=⇒< DDDD IVVsiIVVsi γγ

γV



Modelo 3

Tensión variable entre los extremos del diodo:

( )d

DD

dDD

r

VVI

rIVV

γ

γ

−=

⋅+=

00 >⇒>=⇒< DDDD IVVsiIVVsi γγ

γVdr



Según estos modelos en inversa es capaz de aguantar cualquier tensión,

sin embargo, en directa el valor que aguanta el diodo es como mucho, un

poco superior a VD , ya que con intensidades provocadas por

tensiones mayores el dispositivo se fundiría.

( )γ

V



Métodos de resoluciónVamos a ver 3 métodos, dos de ellos con el diodo real y el último (el más

utilizado) con los modelos lineales.

Para ello vamos a resolver el siguiente problema:

¿vD?¿ID?

Nota : en todos los circuitos

I (mA) y R (KΩ)

mV26

mA10

KΩ1

V5

11

==

==

−

T

S

DD

V

I

R

VDatos:



Método analítico (diodo real)

( ) ( ) DVV

SVVSD

DDVeI

eII

VKITD

TD+−=⇒

−=

+⋅=15

1

1V5/

/

( )15 / −−= TD VVSD eIV

mA3.4

V696.0

==

D

D

I

V

Circuito:

Dispositivo:

Sustituimos VD=0.65 V en la exponencial y calculamos VD. Repetimos hasta obtener la precisión requerida. Si lo hacemos en este ejemplo nos queda:

diodo real



Método gráfico (diodo real)

Consiste en colocar las dos ecuaciones de la recta en una gráfica y calcular el punto de corte.

R

V

R

VI DDD

D +−=

( )1/ −= TD VVSD eII

diodo real



Método lineal (modelo 3)

¿Cómo estáel diodo?

SuposiciónOFF u ON

Calculamos el resultado

¿Coincide consuposición?

Suposición correcta

Suposición falsa

si no

⇒>=⇒=⋅=⇒= γVVRIVI DRD V500

En nuestro circuito, supongamos que D OFF:

D ON

Así que la suposición D OFF era falsa.

D ON, por lo tanto según nuestro modelo:

d

DDDdDD

DDDD

rR

VVIrIVI

VRIV

+−

=⇒⋅++⋅=

+⋅=

γγ15

V693.0

mA307.4

==

D

D

V

I

modelo 3

Ω=

=

10

V65.0

dr

Vγ

Tomando los valores:

⇒



Aplicaciones del diodoLimitador

Para que D ON V65.7≈oV

a) Supongamos que Vi es baja de modo que D OFF

( )io

o

i VVVI

IV

101

100100

1100=⇒

⋅=+=

II



b) Supongamos que Vi aumenta → Vo aumenta (todavía D OFF)

Esta situación sigue así hasta que V73.7100

101V65.7 ==⇒= oio VVV

c) Para Vi > 7.73 V D ON

100101100

100101100

65.7

100

65.7

1

d

di

do

o

d

ooi

r

rV

rV

V

r

VVV

++

+=

+−=−

γV

modelo 3



Nosotros usualmente tomamos 0=dr

↑−=↑⇒=R

VVIVfijoV oi

io 1KSiV65.7

y como es constante, pasa más corriente por DK100100

oK

VI =

D OFF D ON



Rectificador de media onda: modelo 2 para el diodo

Para que D ON γVVi >

a) Supongamos que Vi es baja de modo que D OFF 00 =⇒= oD VI

b) Supongamos que Vi aumenta ¿hasta cuando dura la situación anterior?

Esta situación sigue así hasta que V65.0>iV



c) A partir de Vi = 0.65 V D ON

modelo 2γV

Para una señal alterna

Vo

Vi

t

V65.0

V65.0OND V65.0

V00OFFD V65.0

−=−=⇒⇒=>

≈⋅=⇒≈⇒⇒=<

iioi

DoDi

VVVVVV

RIVIVV

γγ

γ



Rectificador de media onda: modelo 1 (ideal) para el diodo



Rectificador de media onda: modelo 3 para el diodo



Diodo ZenerEs un caso particular del diodo. El Zener tiene la propiedad de conducir también bajo polarización inversa a partir de una cierta tensión Vz .

Símbolo

Característica ID -VD

ID

tγV

zV



4.3. Transistor MOSFET

El transistor MOSFET se corresponde con el siguiente dispositivo:



SÍMBOLO DEL NMOS :

Símbolo de un transistor MOS de canal N de enriquecimiento

(Vt > 0).

Símbolo de un transistor MOS de canal P de enriquecimiento

(Vt < 0).



Símbolo de un transistor MOS de canal N de deplexión. Igual que el dispositivo de enriquecimiento pero con Vt < 0.

canal del longitud:

canal del anchura :

puerta de óxido decapacidad:

movilidad:

ctanciatranscondu:

L

W

C

L

WCkk

ox

n

oxnnn

µ

µ ⋅=



MODOS DE OPERACIÓN DEL NMOS

1) NMOS OFF

0OFFNMOS =⇒< DTnGS IVV

2) NMOS ON

⇒≠⇒⇒>saturaciónb)

lineala)0ONNMOS DTnGS IVV

a) Triodo (lineal)

( ) ( )[ ]2

21

DSDSTGSnDSTnGSDS VVVVkIVVV −−=−<

b) Saturación

( ) ( )2

2 TGSn

DSTnGSDS VVk

IVVV −=−≥



Característica ID - VDS para un MOSFET con Vt = 1V.



Característica ID - VGS para un MOSFET con Vt = 1V.



MODOS DE OPERACIÓN DEL PMOS

0OFFPMOS =⇒> DTpGS IVV

⇒≠⇒⇒<saturaciónb)

lineala)0ONPMOS DTpGS IVV

( ) ( )[ ]2

21

DSDSTpGSpSDTpGSDS VVVVkIVVV −−=−>

b) Saturación

( ) ( )2

2 TpGSp

SDTpGSDS VVk

IVVV −=−≤

1) PMOS OFF

2) PMOS ON

a) Triodo (lineal)



Ejemplo:

VVA

:Datos

2

2

1040 6

=

⋅= −

TV

K

G Vcalcular a Vamos

0=⇒ GI OFF NMOS Suponemos 1)

ONNMOS6VKK250

VK

100KK150V

⇒=⋅=⋅=+

= 10015

100,15

11 iVi G



( ) ( )

⋅−+⋅=

⋅+=+⋅=

−=

⋅+=⋅++⋅=

=⇒

− )3(441020

)2(56

)1(4515

2

262 GSGSD

DGS

DSD

TGSn

D

SDGSG

SDDSDDCC

S

VVI

KIV

VKI

VVk

I

RIVV

RIVRIV

II saturación suponer a s Vamo ON NMOS 2) D

( ) 05664410206

:)3()2(

226 =−⋅+⇒⋅−+⋅=− −GSGSGSGS

S

GS

D

VVVVR

V

I con igualando ede despejando

=⇒=⇒

=negativovalor

V(1) demAV 54.61844.006.5 DSDGS

VIV

correctasuposición

:correcta es saturación de suposición la si comprobar a vamos

06.3206.554.6 =−>⇒−> TGSDS VVV

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