LA UNIÓN P-N
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Diapositiva 1 FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES LA UNIÓN P-N La unión p-n en circuito abierto Iones de impurezas aceptoras Hueco Iones de impurezas dadoras Zona de deplexión - A - - - - - - - - - - - - - - Unión - + + + + + + + + + + + + - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - + Contacto óhmico K Electrón p n Diapositiva 2 FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES LA UNIÓN P-N La unión p-n en polarización inversa n n Movimiento de portadores Corriente - _ A - - - - - - - - - - + - - - + - + - + - + + + + + + + + Minoritarios Mayoritarios + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + K Diapositiva 3 FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES LA UNIÓN P-N La unión p-n en polarización directa n n Movimiento de portadores Corriente - A+ - - - - - - - - - - - - - - - - ++ - + - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Minoritarios Mayoritarios + _K Diapositiva 4 FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES LA UNIÓN P-N Potencial de contacto y ancho de la región de transición de una unión p-n. p A _+ _ + _+ n K E Densidad de carga _ Campo eléctrico X _ - Potencial + X d 2V ρ =− 2 dx ε E=− dV ρ = ∫ dx dx ε Barrera de potencial Vo X V = −∫ Edx Diapositiva 5 FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES LA UNIÓN P-N Barrera de potencial y ancho de la región de transición de una unión p-n, con polarización _V + inversa p n I0 _+ _ _ + _ ++ A K E Densidad de carga _ Campo eléctrico + X _ X V Potencial VB Vo X VB = Vo + V Diapositiva 6 FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES LA UNIÓN P-N Barrera de potencial y ancho de la región de transición de una unión p-n, con polarización +V _ n directa p I _+ _+ A K E Densidad de carga _ + X Campo eléctrico X - V Potencial Vo VB X VB = Vo − V Diapositiva 7 FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES LA UNIÓN P-N Componentes de corriente en polarización directa +V _ n p I _+ _+ A K nn pp Concentración de portadores npo pno 0 X I Corriente 0 X Diapositiva 8 FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES LA UNIÓN P-N Ecuación de la unión: Hipótesis restrictivas n n n Ancho de la zona de transición despreciable En la zona de transición no hay generación de pares electrón-hueco Se desprecian las corrientes de fuga en la superficie del semiconductor ni corrientes transversales Diapositiva 9 FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES LA UNIÓN P-N Ecuación de la unión: Deducción HUECOS ELECTRONES dp ( x) I pn ( x) = − SqD p n dx Pn(0) pn(x) pn (x ) = Pn ( x) + p− no x Pn (x) Pn (x ) = Pn (0) × e Lp pn(0) Vo −V VT pno p po = pn (0) × e 0 dX X I pn ( 0) = SqD p pno (e Lp V VT Ley de la Unión V − 1) I np (0 ) = SqDn n po V (e − 1) Ln D p D n V I = qS p no + n po (e VT − 1) Ln L p T Diapositiva 10 FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES LA UNIÓN P-N Corriente inversa de saturación n n Discrepancias del valor teórico y práctico Dependencia D p Dn I o = qS p no + n po = f (T ) Ln L p Diapositiva 11 FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES DIODO SEMICONDUCTOR Ecuación de la característica tensión-intensidad I = I o (e V ηVT − 1) I Representación gráfica n n n Tensión umbral (Vγγ) OFF<> Corte ON <> Conducción I ≅ I oe - + V A V ηVT + - V K A K I ≅ −I o 0 OFF Polarización inversa Vγ V ON Polarización directa Diapositiva 12 FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES DIODO SEMICONDUCTOR Germanio vs Silicio I Ge 0 0,2 0,6 Si V Diapositiva 13 FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES DIODO SEMICONDUCTOR Ejercicio 1. Cálculo y representación de la característica de un diodo. DATOS Semiconductor η Intensidad inv.de satur.(nA) Temperatura (ºK) INCOGNITAS Silicio Tensión (V) Intensidad(mA) 2,00 0,65 0,2868 1,00 0,68 0,5123 300 0,71 0,9150 0,74 1,6342 0,77 2,9188 0,80 5,2130 0,83 9,3106 0,86 16,6291 0,89 29,7003 0,92 53,0458 Diapositiva 14 FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES DIODO SEMICONDUCTOR Ejercicio 2. Cálculo de la intensidad y tensión entre bornas de un diodo. Método general de cálculo: Resolución del sistema formado por la recta de carga del circuito y la ecuación del diodo. R + V - A ID Vo ηVT + - Vo I = I o (e − 1) V = I D R + Vo Método iterativo K DATOS INCOGNITAS Semiconductor Germanio Tensión entre bornas (V) Intensidad(mA) Tensión de la Fuente (V) 6,00 0,0000 3,0000 Resistencia (Kilo-ohmios) 2,00 0,3262 2,8369 η 1,00 0,3247 2,8376 Intensidad inv.de satur.(nA) 10,00 0,3247 2,8376 Temperatura (ºK) 300 0,3247 2,8376 Diapositiva 15 FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES DIODO SEMICONDUCTOR Respuesta de un diodo a la temperatura Reglas prácticas t1 −to 10 I o (t1 ) ≅ I o (to ) × 2 ∆Io ≅ 0 , 07 º C −1 Io∆T ∆V ≅ −2,5mV /º C ∆T I T1 0 > To V Diapositiva 16 FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES DIODO SEMICONDUCTOR Ejercicio 3. Según la ecuación anterior la corriente inversa de saturación del germanio debería aumentar un 11%/ºC, pero experimentalmente obtenemos en el laboratorio que la variación práctica con la temperatura es alrededor del 7%/ºC, cuando aplicamos una tensión inversa de 6V siendo la corriente de 1µA. Esta situación se interpreta como si el diodo teórico estuviera en paralelo con una resistencia que representa las corrientes de fugas del dispositivo. Calcular esta resistencia. Diapositiva 17 FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES DIODO SEMICONDUCTOR Ejercicio 4. La resistencia térmica del contacto mecánico del chasis de un diodo con su medio es de 0,1 mW/ºC, es decir, disipa 0,1 mW por cada grado de aumento de la temperatura. No se permite que la temperatura del diodo aumente por encima de la ambiente (25ºC) más de 20ºC. Si la corriente inversa de saturación es de 1µA a 25ºC y teniendo en cuenta que ésta se duplica por cada 10ºC de aumento, calcular la tensión inversa máxima que se puede aplicar al diodo. Diapositiva 18 FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES DIODO SEMICONDUCTOR Resistencia estática I I3 RR = VR →∞ IR I2 RF = I1 V1 V2 V3 V VF IF Diapositiva 19 FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES DIODO SEMICONDUCTOR Resistencia dinámica o incremental I r= dV 1 = →∞ dI tag 0 r= α V dV 1 = dI tag α Diapositiva 20 FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES DIODO SEMICONDUCTOR Ejercicio 5. Un diodo ideal de germanio tiene a temperatura ambiente una resistencia estática de 5 Ω, siendo la intensidad en ese punto de 50 mA. Calcular la resistencia dinámica del diodo cuando se polariza directamente con una tensión de 0,3 V. Diapositiva 21 FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES DIODO SEMICONDUCTOR Capacidad de transición -V+ A -V+ K A CT = I K dQ S =ε dV w V Diapositiva 22 FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES DIODO SEMICONDUCTOR Ejercicio 6. Se usan con frecuencia diodos polarizados inversamente como condensadores variables gobernados por tensión. La capacidad de transición de un diodo de unión abrupta es de 12 pF a 6V . Hallar la disminución de capacidad cuando la polarización aumenta 1V. Diapositiva 23 FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES DIODO SEMICONDUCTOR Capacidad de difusión I - + V K V - + V A K 2 dq L p L2n 1 CD = = + × dV D p Dn r A Diapositiva 24 FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES DIODO SEMICONDUCTOR Ejercicio 7. En un diodo de silicio en que el lado p está mucho más dopado que el lado n, la longitud de difusión es de 3x10-6 m., la movilidad de los huecos 500 cm 2/V-s y la capacidad de difusión 2 nF. Calcular la intensidad de corriente que pasa por él a temperatura ambiente. Se desprecia la corriente inversa de saturación. Diapositiva 25 FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES DIODO DE RUPTURA O DE AVALANCHA Efecto de ruptura o de avalancha: temperatura Efecto Zener: campo eléctrico I Vz V Zona de ruptura o de avalancha Diapositiva 26 FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES DIODO DE RUPTURA O DE AVALANCHA Efecto de ruptura o de avalancha: temperatura _V + p n I _+ __ ++ _+ A K E Densidad de carga _ + Campo eléctrico X _ X Huecos con mayor energía térmica generan electrones Electrones con mayor energía térmica generan huecos Potencial V VB Vo X V >> Vo Diapositiva 27 FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES DIODO DE RUPTURA O DE AVALANCHA Efecto Zener: campo eléctrico p A Densidad de carga _ V+ n __ _ __ + + + + __ _+ ++ + _ I K + X Campo Campo eléctrico _ intenso X Electrones con mayor energía potencial generan huecos Potencial V VB Vo X V >>> Vo Diapositiva 28 FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES DIODO ZENER COMO REGULADOR DE TENSIÓN Carga variable VZ = Cte. = I L RL I V = Cte. ⇒ I = Cte. R= Izmín. V Izmáx. R + IL I IZ VZ + RL V - - V R - + Si RL ↓⇒ I L ↑⇒ I Z ↓ I IZ + IL VZ - Vz Si RL ↑⇒ I L ↓⇒ I Z ↑ V − VZ I Diapositiva 29 FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES DIODO DE RUPTURA O DE AVALANCHA Ejercicio 8. En un circuito regulador de tensión de acuerdo con los datos calcular las incógnitas. DATOS Tensión de fuente (V) Intensidad máx.de carga (mA) INCOGNITAS 24,00 Intensidad máx.en el Zener (mA) 100,00 Potencia máx. disipada Zener (W) 80,00 0,96 Intensidad mín.de carga (mA) 30,00 Resistencia de regulación (óhmios) 109,09 Tensión de regulación (V) 12,00 Resistencia de carga máx. (óhmios) 400,00 Intensidad mín. del Zener(mA) 10,00 Resistencia de carga mín. (óhmios) 120,00 Diapositiva 30 FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES DIODO ZENER COMO REGULADOR DE TENSIÓN I VZ = Cte. ⇒ I L = Cte. V ≠ Cte. ⇒ I ≠ Cte. R= Vz Izmín. V R +IL I IZ VZ + RL V - - V Izmáx. Si V ↓⇒ I ↓⇒ I ↓ Z R - + Si V ↑⇒ I ↑⇒ I Z ↑ V − VZ I I IZ + IL VZ - Fuente variable Diapositiva 31 FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES DIODO DE RUPTURA O DE AVALANCHA Ejercicio 9. En un circuito regulador de tensión de acuerdo con los datos calcular las incógnitas. DATOS Tensión de fuente mínima (V) Tensión de fuente máxima (V) INCOGNITAS 24,00 Resistencia de carga (óhmios) 100,00 Intensidad máx.en el Zener (mA) Intensidad en la carga (mA) 30,00 Potencia máx. disipada Zener (W) Tensión de regulación (V) 12,00 Resistencia de regulación (óhmios) Intensidad mín. del Zener(mA) 3,00 400,00 212,00 2,54 363,64 Diapositiva 32 FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES DIODO ZENER COMO REGULADOR DE TENSIÓN Carga y fuente variables VZ = Cte. = I L RL V ≠ Cte. ⇒ I ≠ Cte. R= Vz Izmín. V Izmáx. R + IL I IZ VZ + RL V - - V R - + Vmáx . − V Z Vmín . − V Z = I Lmín . + I Zmáx . I Lmáx . + I Zmín . I IZ + IL VZ - I RL Diapositiva 33 FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES DIODO DE RUPTURA O DE AVALANCHA Ejercicio 10. En un circuito regulador de tensión de acuerdo con los datos calcular las incógnitas. DATOS Tensión de fuente mínima (V) INCOGNITAS 24,00 Resistencia de regulación (óhmios) Tensión de fuente máxima (V) 100,00 Intensidad máx.en el Zener (mA) Intensidad máx.de carga (mA) 100,00 Potencia máx. disipada Zener (W) 109,09 776,67 9,32 Intensidad mín.de carga (mA) 30,00 Resistencia de carga máx. (óhmios) 400,00 Tensión de regulación (V) 12,00 Resistencia de carga mín. (óhmios) 120,00 Intensidad mín. del Zener(mA) 10,00 Diapositiva 34 FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES DIODO ZENER COMO REGULADOR DE TENSIÓN Característica con pendiente: caso general VZ ≠ Cte. V ≠ Cte. ⇒ I ≠ Cte. R= ∆ Vz V - V Izmáx. R + IL I IZ VZ + RL V - + R - Izmín. Vmáx. − VZmáx. Vmín. − VZmín. = I Lmín. + I Zmáx. I Lmáx. + I Zmín. I IZ + V Z IL - I r RL Diapositiva 35 FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES DIODO DE RUPTURA O DE AVALANCHA Ejercicio 11. En un circuito regulador de tensión de acuerdo con los datos calcular las incógnitas (análisis). DATOS INCOGNITAS Tensión de fuente mínima (V) 20,00 Resistencia de regulación (óhmios) Tensión de fuente máxima (V) 25,00 Tensión de regulación máx. (V) 250,00 10,77 Tensión nominal Zener (V) 10,00 Tensión de regulación mín. (V) 10,09 Resistencia del Zener (óhmios) 17,00 Potencia máx. disipada Zener (W) Intensidad máx.del Zener(mA) 45,00 Intensidad mín. de carga (mA) 0,48 11,94 Intensidad mín. del Zener(mA) 5,00 Resistencia de carga mín. (óhmios) 201,70 Intensidad máx.de carga(mA) 50,00 Resistencia de carga máx. (óhmios) 901,59 Diapositiva 36 FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES DIODO DE RUPTURA O DE AVALANCHA Ejercicio 12. En un circuito regulador de tensión de acuerdo con los datos calcular las incógnitas (síntesis). DATOS INCOGNITAS Tensión de fuente mínima (V) 20,00 Resistencia de regulación (óhmios) Tensión de fuente máxima (V) 25,00 Intensidad máx.en el Zener (mA) Intensidad máx.de carga (mA) 50,00 Potencia máx. disipada Zener (W) Intensidad mín.de carga (mA) 12,00 Resistencia del Zener (óhmios) Tensión de regulación máx.(V) 10,57 Resistencia de carga máx. (óhmios) 880,83 Tensión de regulación mín.(V) 10,10 Resistencia de carga mín. (óhmios) 202,00 Intensidad mín. del Zener(mA) 5,00 Tensión Zener (V) 180,00 68,17 0,72 7,44 10,06
