Semiconductores

Electrónica
Tema 1
Semiconductores
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Contenido
• Consideraciones previas:
– Fuentes de corriente
– Teorema de Thevenin
– Teorema de Norton
• Conductores y Semiconductores
• Unión p-n
• Fundamentos del diodo
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Fuente de tensión ideal
Mantiene una tensión de salida constante,
independientemente del valor de RL.
10 V
RL
VRL= 10 Voltios
El modelo ideal puede denominarse
primera aproximación.
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Fuentes de tensión
• Una fuente ideal no tiene resistencia interna
• La segunda aproximación de una fuente de
tensión tiene resistencia interna
• Una fuente de tensión constante tiene una
resistencia interna cuyo valor es 1/100 del valor
de la resistencia de carga
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Fuente de tensión real
Tiene una resistencia interna en serie con la fuente
RS
10 V
RL
VRL< 10 Voltios
Este modelo se conoce como
la segunda aproximación.
Si RL es igual o mayor que 100 veces RS, la fuente de
tensión es constante y se puede emplear la primera aproximación.
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Fuente de corriente ideal
Mantiene una corriente de salida constante,
independientemente del valor de RL.
1A
RL
IRL= 1 Amperio
El modelo ideal puede denominarse
primera aproximación.
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Fuente de corriente real
Presenta una resistencia interna grande
en paralelo con la fuente
1A
RS
RL
IRL< 1 Amperio
Este modelo se conoce como
la segunda aproximación.
Si RS es igual o mayor que 100 veces RL, se dice que la fuente de
corriente es constante y se puede utilizar la primera aproximación.
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Teorema de Thevenin
• Se emplea para reemplazar cualquier circuito
lineal por una fuente de tensión equivalente
designada por VTH y una resistencia
equivalente designada por RTH
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Ejemplo de Thevenin
Circuito original
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El teorema de Thevenin puede utilizarse para reemplazar
cualquier circuito lineal por una fuente de tensión
equivalente VTH y una resistencia equivalente RTH.
6 kΩ
Ω
72 V
4 kΩ
Ω
3 kΩ
Ω
RR
LV
THTH
Eliminar
carga.la
Eliminar
Calcular
olafuente.
medir
Calcular o medir
VTH en la
los
terminals.
resistencia de Thevenin (RTH)
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Tensión de Thevenin
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Circuito equivalente de Thevenin
6 kΩ
Ω
Circuito
Original
72 V
4 kΩ
Ω
3 kΩ
Ω
RL
6 kΩ
Ω (RTH)
Circuito equivalente
de Thevenin
RL
24 V (VTH)
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Teorema de Norton
Se emplea para reemplazar cualquier circuito
lineal por una fuente de corriente equivalente
designada por IN y una resistencia
equivalente designada por RN
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Resistencia de Norton
6 kΩ
Ω
72 V
4 kΩ
Ω
3 kΩ
Ω
RL IR
NN
RCortocircuitar
RTH
.
N es igual que la
carga
para hallar IN.
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Corriente de Norton
IN = 4 mA
RN = 6 KΩ
Ω
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Circuito equivalente de Norton
6 kΩ
Ω
Circuito original
Circuito equivalente
de Norton
72 V
4 mA (IN)
4 kΩ
Ω
3 kΩ
Ω
RL
6 kΩ
Ω (RN)
RL
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6 kΩ
Ω (RTH)
Circuito equivalente
de Thevenin
Conversión de
circuitos
Circuito de Norton
dual
RL
24 V (VTH)
RN = RTH
4 mA (IN)
IN =
VTH
RTH
6 kΩ
Ω (RN)
RL
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Un dispositivo en abierto
• La corriente a su través es igual a cero.
• La tensión que cae en él es desconocida.
• V = cero x infinito {indeterminado}
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Un dispositivo cortocircuitado
• La tensión que cae en él es igual a cero.
• La corriente que circula por él es
desconocida.
• I = 0/0 {indeterminado}
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Conductor
• Material que permite que la corriente
fluya.
• Ejemplos: cobre, plata, oro.
• Los mejores conductores tienen un
electrón de valencia.
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Estructura atómica del cobre
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Parte interna
• Núcleo y orbitales internos.
• El orbital exterior o de valencia controla las
propiedades eléctricas.
• La parte interna del átomo de cobre tiene una
carga neta de + 1.
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Parte interna del cobre
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Electrón libre
• La atracción entre la parte interna del
átomo y el electrón de valencia es débil.
• Una fuerza externa puede fácilmente
arrancar un electrón libre de un átomo.
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Semiconductor
Un elemento con propiedades eléctricas
entre las de un conductor y las de un
aislante.
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Ejemplos de semiconductores
• Los semiconductores tienen normalmente
4 electrones de valencia.
• Germanio.
• Silicio.
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Diagramas de la parte interna del
cobre y el silicio:
Un electrón de valencia Cuatro electrones de valencia
Cobre
+1
Silicio
+4
El núcleo más los orbitales de electrones internos.
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Los átomos de silicio en un cristal comparten los electrones.
Saturación de valencia: n = 8
Puesto que los electrones de valencia están enlazados, un cristal de
silicio a temperatura ambiente es casi un aislante perfecto.
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En el interior de un
cristal de silicio
• La energía térmica crea algunos electrones
libres y huecos.
• Otros electrones libres y huecos se recombinan.
• La recombinación puede durar desde unos
pocos nanosegundos hasta varios
microsegundos.
• El tiempo entre la creación y la recombinación
de un electrón libre y un hueco es el tiempo de
vida.
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Los cristales de silicio se dopan para
proporcionar portadores permanentes.
Electrón libre
(tipo n)
Dopante pentavalente
Hueco
(tipo p)
Dopante trivalente
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Semiconductor intrínseco
• Es un semiconductor puro.
• Un cristal de silicio es intrínseco si todo
átomo del cristal es un átomo de silicio.
• Existen dos tipos de flujo de corriente:
electrones y huecos.
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Dopaje
• Adición de impurezas a un cristal
intrínseco para alterar sus propiedades
conductividad eléctrica.
• Un semiconductor dopado es un
semiconductor extrínseco.
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Este cristal ha sido dopado con una impureza pentavalente.
Los electrones libres en el silicio de tipo n
soportan el flujo de corriente.
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Este cristal ha sido dopado con una impureza trivalente.
Los huecos en el silicio de tipo p soportan el flujo de la corriente.
Observe que la corriente de huecos es opuesta a la corriente de electrones.
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Resumen sobre semiconductores
• El material más popular es el silicio.
• Los cristales puros son semiconductores intrínsecos.
• Los cristales dopados son semiconductores
extrínsecos.
• Los cristales se dopan para ser de tipo n o de tipo p.
• Un semiconductor de tipo n tendrá pocos portadores
minoritarios (huecos).
• Un semiconductor de tipo p tendrá pocos portadores
minoritarios (electrones).
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• Un semiconductor puede doparse para
tener un exceso de electrones libres o de
huecos.
• Los dos tipos de semiconductores
dopados son el tipo n y el tipo p.
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Dopar un cristal con ambos tipos de
impurezas da lugar a un diodo de unión pn.
Unión
P
N
Ión
Ión
negativo
positivo
Algunos electrones cruzarán la unión y rellenarán huecos.
Cada vez que esto ocurre se crea una pareja de iones.
A medida que esta carga de iones crece, evita una ulterior
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migración de la carga a través de la unión.
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La barrera de potencial pn
• La difusión de electrones crea pares de iones
denominados dipolos.
• Cada dipolo tiene asociado un campo eléctrico.
• La unión alcanza el equilibrio cuando la
barrera de potencial impide que se produzca
más difusión.
• A 25 grados C, la barrera de potencial para
una unión pn de silicio es aproximadamente 0,7
voltios.
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Cada electrón que atraviesa la unión
y rellena un hueco elimina de forma efectiva
ambos portadores de corriente.
P
N
Zona de deplexión
Esto da lugar a una región en la unión que se vacía
de portadores y actúa como un aislante.
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Polarización directa
Los portadores se mueven hacia la unión
y colapsan la zona de deplexión.
Si la tensión aplicada es mayor que la
barrera de potencial, el diodo conduce.
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Polarización inversa
Los portadores se mueven
alejándose de la unión.
La zona de deplexión se reestablece
y el diodo no conduce, se corta.
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Polarización de diodo
• Los diodos de silicio conducen con una
polarización directa de aproximadamente
0,7 voltios.
• Con polarización inversa, la zona de deplexión
se hace más ancha y el diodo se corta.
• Existe una pequeña corriente de portadores
minoritarios con la polarización inversa.
• El flujo inverso debido a las portadores
térmicos se denomina corriente de saturación.
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Disrupción del diodo
• Los diodos no pueden soportar los valores
extremos de la polarización inversa.
• Cuando la polarización inversa es alta, se
produce una avalancha de portadores
debida al rápido movimiento de los
portadores minoritarios.
• El rango típico de los valores de disrupción
va desde 50 voltios hasta 1000 voltios.
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Niveles de energía
• Es necesaria energía extra para que un
electrón salte a un orbital de mayor energía
(más alto).
• Cuanto más alejados están los electrones del
núcleo, mayor es su energía potencial.
• Cuando un electrón cae en un orbital más
bajo, pierde energía en forma de calor, luz y
otras radiaciones.
• Un LED es un ejemplo en el que parte de la
energía potencial se convierte en luz.
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Barrera de energía
• Es la barrera de potencial de un diodo.
• Los electrones necesitan energía
suficiente para atravesar la unión.
• Una fuente de tensión externa que
polarice en directa al diodo proporciona
dicha energía.
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El lado p de una unión pn tiene átomos trivalentes
con una carga interna de +3. Esta parte interna atrae
menos electrones que una parte interna con una carga de +5.
Energía
Unión abrupta
Banda de conducción
Banda de valencia
Lado-P
Lado-N
En una unión abrupta, las bandas del lado p
tienen un nivel de energía ligeramente mayor.
Los diodos reales presentan un cambio gradual de un material
al otro. La únión abrupta es un concepto teórico. 46
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Energiá
Bandas de energía después de haberse
formado la zona de deplexión.
Banda de conducción
Barrera de
energía
Banda de valencia
Lado P
Lado N
A un electrón que tratara de difundirse a través de la unión,
el camino que debe recorrer le parecerá una barrera de energía.
Debe recibir la energía extra de una fuente externa.
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Temperatura de la unión
• La temperatura de la unión es la temperatura
interna del diodo, justo en la unión pn.
• Cuando un diodo está en conducción, su
temperatura de la unión es mayor que la
temperatura ambiente.
• Para temperaturas de la unión elevadas existe
una barrera de potencial menor.
• La barrera de potencial disminuye 2 mV por
cada grado Celsius de aumento.
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Corrientes del diodo en inversa
• Se genera una corriente transitoria cuando la
tensión inversa varía.
• IS, la corriente de saturación o de los portadores
minoritarios, se duplica por cada incremento de
temperatura de 10 grados Celsius. No es
proporcional a la tensión inversa.
• La superficie de un cristal no tiene enlaces
covalentes completos. Los huecos que resultan
producen una corriente superficial de fugas que es
directamente proporcional a la tensión inversa.
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