Electrónica I1er Parcial
Semiconductores
Diodo
P N
Diodo Zener
Materiales Intrínsecos
Son todos aquellos semiconductores que han sido cuidadosamente refinados para reducir las impurezas a un nivel muy bajo, en esencia tan puro como se lo pueda lograr por medio de la tecnología moderna.
Los electrones libres en este material se los denomina portadores intrínsecos.
Materiales Extrínsecos
Un material semiconductor que haya sido sujeto al proceso de dopado se lo denomina material extrínseco.
Existen dos tipos de materiales para la fabricación de dispositivos semiconductores, tipo P y tipo N , ambos materiales se forman mediante la adición de un número predeterminado de átomos de impurezas.
a) Material Tipo P
Este material se forma mediante el dopado de un cristal puro de germanio o de silicio con átomos de impurezas que poseen 3 electrones de valencia.
Los elementos que utilizan con mayor frecuencia para este propósito son el boro, indio y galio.
b) Material Tipo N
Este material se crea a través de la introducción de elementos de impureza que poseen cinco electrones de valencia, tales como el antimonio, arsénico y fósforo.
Elementos de dos Terminales
1) DIODO
Ideal
RealSimbología:
Ánodo Cátodo
+ -+ Vak-
Vd
Construcción:
A
k
P NA k
+ -
-Diodos Ideales
Puede actuar de dos formas:
-Cortocircuito
-Circuito Abierto
Vd= Vak>0
Id>0
Vak<0
-Vak=Vak
Diodo está encendido
Diodo está apagado
Para polarizar un diodo hay que conectarles fuentes independientes DC, haciendo esto podemos conocer los parámetros del diodo que son Id, Vd.
V10
di
k1
Ejemplo 1:
V10
di
k1
dV
0
101
10
akd
d
VV
mAk
i
VVd
)(mAid
10
Curva Característica del Diodo Ideal.
V10
di
k1
dV
Ejemplo 2:
V10
di
k1
dV
VV
mAi
d
d
10
0
Ejemplo 3:
V20k2
k2 k1
V5
1D
D1 conduce o no? Por qué?
No usar métodos generalizados.
Hallando Vth
VVkk
kV
Th
Th
1022
220
Hallando Rth
kR
kkR
Th
Th
1
22
k1
V5
1D
VVth 10 kRth 1
di
Asumo que D1 “ON”
05.22
510
mAik
iI
d
d
"_"1 OND
VVd 0 (Cortocircuito)
Ejemplo 4:
V20k2
k2 k1
V12
1D
D1 conduce o no? Por qué?
No usar métodos generalizados.
Hallando Vth
VVkk
kV
Th
Th
1022
220
Hallando Rth
kR
kkR
Th
Th
1
22
k1
V12
VVth 10 kRth 1
di
akV
mAid 0
?akV
VV
V
ak
ak
2
01210
"_"1 OFFD
Ejercicio 5
Verificar si conducen los diodos ideales.
V10
1D
2D
k1
k1
I1DI 2DI
Ejercicio 5
Verificar si conducen los diodos ideales.
V10
1D
2D
k1
k1
IComo D1 es ideal
mAk
VI
VVak
101
10
01
Como D2 es ideal
mAk
VI
VV
D
ak
101
10
0
2
2
onD2
020
1010
1
1
21
mAI
I
III
D
D
DD
onD1
1DI 2DI
V10
2D
k1
k1
I1DI 2DI
Ejercicio 6
Verificar si conducen los diodos ideales.
V10
1D
2D
k1
k1
I1DI 2DI
Ejercicio 6
Verificar si conducen los diodos ideales.
V10
1D
2D
k1
k1
IComo D1 es ideal
mAk
VI
VVak
101
10
01
Como D2 es ideal
AID 02
offD2
010
100
1
1
21
mAI
I
III
D
D
DD
onD1
1DI 2DI
k1
I1DI 2DI
k1
V10
Ejemplo 7:
k1
VV
10
10
t
t
t
VVd
mAid
Ejemplo 7:
k1
VV
10
10
mAid
t
t
t
VVd
Semiciclo Positivo
k1
dI
Semiciclo Negativo
k1 dV
pd
pd
d
mAik
Vi
VV
101
10
0
pd
d
VV
Ai
10
0
""onD
""offD
-CURVA CARACTERISITCA PARA EL Diodo Real
mAid
VVd3.0 7.0
Ge Si
Zona de ConducciónVoltaje
Inverso de Pico
Zona de Avalancha
Zona de Polarización Inversa
Aa 101
Aa 21
Corriente de Saturación
Voltaje de Umbral
)º25( CT
Polarización del Diodo Real
I. Directa
Al aplicar un voltaje positivo se reduce la zona de agotamiento y el intercambio produce una corriente eléctrica en dicha zona.
A k
fV
dI
fI
Zona de Agotamiento
Zona de Agotamiento Disminuye
1K
d
T
kV
SD eII Zona de Conducción
273)(
11600
_:
CTTn
k
SaturaciónCorrienteI
k
S
ST
kV
SD IeII k
d
dV dV
dIdI
Niveles Altos de ID
tanto Ge, Si
1 n
Niveles Bajos de ID
Sin
Gen
,2
,1
• Para valores positivos de voltaje del diodo y corriente del diodo la gráfica crecerá de la misma manera que crece para una función exponencial y=eX.
•Para valores negativos de Vd, el primer término disminuirá rápidamente debajo de Is dando como resultado Id=-Is.
•Para cuando el voltaje del diodo es igual a cero entonces la corriente del diodo también va a ser igual a cero.
•La ruptura de las características en voltaje de diodo igual a 0V se debe únicamente al cambio drástico en la escala de nano amperios a micro amperios.
Zona Zener
En la gráfica de la curva característica de los diodos reales se observa que existe un punto en el cual la aplicación de un voltaje demasiado negativo dará como resultado un agudo cambio en las características.
El voltaje de polarización inversa que da como resultado este cambio drástico se lo llama potencial zener y se le da el símbolo VZ.
II. Inversa
A k
fV
sI
fI
Zona de Agotamiento
IsI
Zona de agotamiento aumenta
Al aplicar un voltaje negativo aumenta la zona de agotamiento y los portadores mayoritarios logran ir hacia el otro extremo y en cambio una pequeña cantidad de portadores mayoritarios logran irse al material tipo P logrando formar una corriente.
La corriente máxima que puede adquirir un diodo que ha sido conectado con voltaje negativo, se denomina corriente de saturación inversa Is.
III. No hay Polarización
A k
dIZona de Agotamiento
En ausencia de voltaje de polarización aplicada, el flujo neto de la carga en cualquier dirección para un diodo semiconductor es cero
Silicio vs Germanio
1.- Los valore de VIP para el silicio pueden encontrarse en la vecindad de 1000 V, mientras que el valor máximo para el germanio está alrededor de los 400V.
2.- El silicio puede utilizarse para aplicaciones en las cuales la temperatura puede aumentar cerca de los 200 ºC, mientras que el germanio soporta un valor máximo de 100ºC.
3.- La desventaja del silicio comparada con el germanio es el mayor voltaje de polarización directa que se requiere para alcanzar la región de conducción.
El voltaje umbral para el Silicio VT= 0,7 voltios.
El voltaje umbral para el Germanio VT= 0,3 voltios
4.- Mientras más cercana esté la curva al eje vertical, más cerca de lo ideal está el dispositivo, sin embargo las otras características del silicio comparadas con las del germanio, lo hacen ser el elegido en la mayor parte de unidades disponibles en el mercado.
Niveles de Resistencia
Tipo Ecuación Caract. Especiales Determinación Gráf.
D
DD I
VR
Qdd
dd I
mV
I
V 26
PuntoI
V
d
dav /
puntoa _
Definida como un punto en las características
Definida por una línea tangencial en el pto Q.
Definida por una línea recta entre los límites de la operación
][VVd
Id QPto.
][VVd
][mAId
][VVd
][mAId
][mAId
Vd
QPto. Id
Vd
Id
Vd
DC ó Estática
AC ó Dinámica
AC Promedio
Procedimiento Matemático
DKd
SD
SDKd
T
kV
SK
T
kV
KS
d
Tk
kVd
dS
d
d
d
Tk
kVd
SD
d
IT
k
IIcomo
IIT
k
eIT
ke
T
kI
edV
dI
dV
dI
eII
dId
dVd
Id
Vd
K
d
K
d
1
:
1
1
11
1
11600
1,11600
k
nn
kº298
º273º25
K
K
T
T
DQ
d
DQ
d
DQ
d
I
mVr
I
I
26
93.381
298
116001
Es importante considerar que esta última ecuación es exacta solo para valores de ID en la zona de crecimiento vertical de la curva.
Todos los cálculos de resistencia que se han determinado han sido definidos para la unión PN y no incluye la resistencia del material semiconductor (llamada resistencia del cuerpo) y la resistencia que representa la conexión entre el material del semiconductor y el conductor metálico exterior, llamada resistencia de contacto.
Estos dos niveles de resistencia se agrupan en una resistencia llamada rB, modificando a la ecuación última en:
B
DQ
d I
mVr
26
IMPORTANTE
Circuitos Equivalentes
Un circuito es una combinación de elementos que se eligen en forma adecuada para representar la mejor posible las características terminales reales de un dispositivo, sistema o similar en una región de operación en particular.
Circuitos Equivalentes para Diodos
I. Circuitos Equivalentes de Segmentos Lineales
• Una técnica para obtener un circuito equivalente para un diodo consiste en aproximar las características del dispositivo mediante segmentos lineales.
• Los segmentos resultantes son lo suficientemente cercanos a la curva real como para establecer un circuito equivalente que ofrece una excelente primera real aproximación al comportamiento real del dispositivo.
][mAId
][VVd
7.0 8.0
10
7.0 8.0
][mAId
][VVd
10
Real
Si:
Ge:
VVT 7.0
VVT 3.0
Id
Vt ac Diodo Ideal
• La resistencia rac que aparece en el lado derecho es el nivel de resistencia ac promedio, en esencia define el nivel de resistencia cuando se encuentra en estado “ encendido”.
• El diodo ideal se incluye con el fin de establecer que exista una única dirección de conducción de polarización inversa en el estado de circuito abierto para el dispositivo (diodo ideal).
• La batería solo especifica que el voltaje a través del dispositivo debe ser mayor que el umbral del voltaje de la batería para que pueda establecer la conducción a través del dispositivo (diodo real) en la dirección que dicta el diodo ideal. Cuando se establezca la conducción la resistencia del diodo será el valor especificado rac.
… de la curva anterior tenemos:
10010
7.08.0
ac
ac
d
dac I
V
El circuito equivalente será:
Id
V7.0 10 Diodo Ideal
II. Circuitos Equivalentes Simplificado
Id
TV Diodo Ideal
III. Circuitos Equivalentes Ideal
V7.0][VVd
][mAId
][VVd
][mAId
Ejercicio 8:
Determinar V0, I1,ID1, ID2
V10
1D 2D
2DI1DI
k33.0
1I
0V
Usando el método simplificado el circuito equivalente es:
V10
ideal
D1ideal
D2
2DI1DI
k33.0
1I
0V
V7.0 V7.0
Los diodos ideales en este circuito se comportan como un corto.
mAmAI
II
mAk
I
VV
DD 09.142
18.28
2
18.283.0
7.010
7.0
121
1
0
… del circuito equivalente anterior:
Ejercicio 9:
V20
k2 k1
V5
Ideal
Diodo
Verificar que D1 “On” .
Hallar V
V
VV
k
kVV
Th
Th
10
4
220
kR
kkR
Th
Th
1
2//2
I
k2
VVTh 10
k1
V5
VkRTh 1
1DI
Asumo que D1 “On”I
05.22
510
1
1
mIk
II
D
D
)(1 onD
LVK:
VV
mAKV
VIk D
5.7
)25.0(15
0)(15 1
Ejercicio 10:Determine I. UTILICE CIRCUITO EQUIVALENTE SIMPLIFICADO
VE 201 VE 42 1D
2D
Si
Si
VE 201 VE 42
V7.0
mAIk
I
R
VEEI
95.62.2
7.0420
21
I
k20k20 Ideal
Diodo
Ejercicio 11:
Determine Vo.
V12
k2.2
1D
Si
2D
Ge
k2.2
0V
V3.0
V12
VV
VV
DSi
DGe
7.0
3.0
VV
VVV
7.11
3.012
0
0
0V
Aplicaciones de los Diodos
• Análisis Mediante la Recta de Carga
La carga que se aplica determina el punto de operación del diodo. Se la obtiene dibujando una línea recta que representa a la carga y que se intersecta con la característica propia del diodo.
DI
DV
RVR
][mAId
][VVd
DQV
DQIQ
E
R
E
LVK:
E
)(RIVE DD
Con:
EVIR
EIV
DD
DD
0
0
• Teorema de Thévenin
Para hallar el VTh se puede calcular o medir el voltaje del circuito abierto.
CircuitoA
B
ThV
Para encontrar la RTh se reducen a cero todas las fuentes redundantes AC o DC y se calcula la resistencia entre los puntos AB.
Para esto se cortocircuitan las fuentes de voltaje y se dejan en circuito abierto las fuentes de corriente.
• Configuraciones Serie Paralelo.
En general un diodo está en estado encendido si la corriente establecida por las fuentes aplicadas es tal que su dirección concuerda con la flecha del símbolo del diodo y VD 0.7V para el silicio y VD 0.3V para el Ge
Método Rápido
• Reemplazar por una resistencia mental al diodo
• Observar la dirección de la corriente I resultante.
• Si la corriente es igual a la flecha del símbolo del diodo entonces el diodo está encendido.
• Reemplazar por una fuente de 0.7V
Ejemplo 12:Calcular el punto de operación Q del diodo.
V5
k3
kR 12
V1
kR 25.03
)1()4(4
)1(1315
25.035
21
21
21
kIKI
kIkkI
VkIkIV Th
)25.1()1(1
)25.01()1(1
21
21
kIkI
IkkkI
Th
VV
RR
VVRVV
oVIRV
Th
Th
Th
221
2122
22
kR
kKkR
RRRR
Th
Th
Th
1
25.0)1//3(
)//( 321
V2
k1
021
2
mAk
I
R
VI
D
Th
ThD
VVD 0
Método Analítico o Gráfico
][mAId
][VVd
2.1
Q
2
2
0 DThDTh VRIV
VVVI DThD 20
mAR
VI
RIVV
Th
ThD
ThDThD
2
0
Encuentre V0 ,IEjercicio 13 : ASUMA DIODOS DE SILICIO
0V
1D
2DV10 V10
0V
1D
El D2 no conduce porque el ánodo está a tierra.
3.9
7.010
0
0
V
V
mAk
I 3.91
3.9
Encuentre V0 ,IEjercicio 14: ASUMA DIODOS DE SILICIO
VE 101
VE 02 0V
k1
k1
V10
0V
V7.0
V10
k1
I
I
mAIk
I
3.91
7.010
VV 7.00
k1
I
VE 02
Condiciones de Operación AC del diodo
Mientras la resistencia equivalente del circuito permanece constante cualquier cambio de V da lugar a un simple desplazamiento de la línea de carga.
Señal AC grande
1D
k1
VtsenV ACTh 2
ThV
1 2
1
2
Ejercicio 15:Primero se Halla el punto de Operación en DC, para luego hacer el análisis AC y finalmente graficar
120 80
1V
2V
67.065.0
25.0c
• Análisis DC
Id
Vt ac Diodo Ideal
08.0025.0
65.067.0
a
a
V10
][AId
][VVd
pmV4
Graficar: Vd.(t), Vi(t), V2(t), id (t)
Las fuentes de V ac se cortocircuitan y los capacitores se abren entonces el circuito equivalente es:
V10 120 80
DI
V65.0
08.0
086.7712008.0
65.0101
mAI
I
R
VVII
D
D
a
TfD
""onD
VV
mAV
VIV
D
D
TadD
656.0
)08.0(86.7765.0
)(
1V
VV
mAV
IV D
34.9
)86.77(120
120
1
1
1
VV 02
2V
• Análisis AC
08.0
120 80En este análisis las fuentes de V DC y los capacitores se hacen corto
pmV4
08.0
48
21 VV
PD
pD
mAI
mVI
19.8348082.0
4
pmV4
p
p
mVVV
mVVV
99.308.048
484
21
21
pD
pD
mVV
mAV
65.6
19.83*08.0
Graficar:Vd(t), Vi(t), V2(t), id (t)
DV
656.0 pmV56.634.9
pmV99.3
1V
99.3
2V
86.77
pmA19.83
DI
t
tt
t