DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y COMPUTACIÓN DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS Carreras: Ingeniería Electrónica – Ingenieria Biomédca PROGRAMA DE CONTENIDOS Objetivos: • Comprender el comportamiento físico de los principales dispositivos electrónicos. • Caracterizar, modelar, interpretar hojas de datos y especificar dispositivos electrónicos para su aplicación en circuitos analógicos y digitales. • Trabajar con los rudimentos basicos de software de simulación y conocer el modelado de los dispositivos. • Entrenar al alumno para enfrentar los avances y cambios tegnológicos. Contenidos: Dispositivos semiconductores discretos: diodos, transistores bipolares, transistores de efectos de campo de juntura (JFET), transistores de efecto de campo de compuerta aislada (IGFET o MOSFET), tiristores, triacs. Circuitos integrados monolíticos: analógicos y digitales. Para estos dispositivos se analizarán las características físicas, eléctricas, y térmicas. Principios físicos de funcionamiento, modelado circuital, medición de características. Interpretación de hojas de datos. TEMA1: RESISTORES Definicion de Resistor, Relacion V-I, Potencia. Clasificacion de los Resistores: Modelo del resistor ideal Limitaciones del modelo. Modelo del reistor real. Fisica del Resistror. Calculo del valor de resistencia en funcion de las dimensiones fisicas del dispositivo, Resistencia laminar y resistencia volumetrica, Fabricacion de Resistores, Resistores de composicion, Resistores de pelicula metalica y de carbon, Resistores de alambre, Especificacion de resistores comerciales, Codigo de barras de colores, Potencias normalizadas, Resistores no lineales PTC y NTC, Varistores, Ejemplo de aplicación. TEMA 2: DIODOS SEMICONDUCTORES Juntura: zonas neutras y zona de carga espacial (deplexión), tipos de corrientes en cada zona según la tensión aplicada. Diodo Ideal: Definición, Simbolo circuital del diodo y convencion de tensiones y corrientes, la caracteristicas Volt ampere. Modelo del diodo Ideal: ecuación, parametros de la ecuación IS y UT – Limitación del modelo: Potencia máxima, Generación y Recombinación en zona de deplexión, Caida de tensión en Zonas Neutras, Inyección de Alto Nivel , Capacidad de Juntura, Capacidad de Difusión, Tensión de ruptura: avalancha, perforación, zener, coeficientes térmicos de la tensión de ruptura TEMA 3: FACTORES TERMICOS DE DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES Conduccion del calor,Concepto de resistencia termica, Ley de ohm termica, Resistencia termicas equivalentes para un dispositivo semiconductor (DIODO). Circuito termico. Resistencias Juntura capsula y resistencias capsula ambiente. Disipadores: Funcionamiento, conveccion libre y forzada; problemas de calculos de circuitos termicos. Determinacion de la capacidad de potencia de un dispositivo (diseno y sintesis); Impedancia termica. TEMA 4: ESPECIFICACIONES DE DIODOS Especificación de dispositivos semiconductores: máximos absolutos , caracteristicas eléctricas, graficos. Especificaciones de diodos: rectificadores, reguladores y varicap. Diodos rectificadores serie y paralelo. Velocidad de comutación de diodos, clasificación de los diodos rectificadores por potencia y velocidad. Regulador con diodo zener. Factor de calidad de diodos Varicap. TEMA 5: TRANSISTOR BIPOLAR Definicion del TBJ, simbolo circuital y convenciones para tensión corriente, Clasificacion de los TBJ. Modelo matematico para polarizacion en zona activa directa, limitaciones del modelo matematico. Zonas de operación del TBJ y validez del modelo matematico. Zona de operación segura. Fisica del dispositivo: Perfiles de concentracion de portadores y corrientes en las junturas, ganancia de corriente, alfa y beta, efeiciencia de inyección, factor de transporte de base, modulación del ancho de la base (Tensión de Early), variacion del Beta, tensión de ruptura colector base y colector emisor. Ejemplos de polarización del TBJ: fuente espejo, multiplicador de VBE. Modelo de pequeñas señales, modelo “PI” : en continua y altas frecuencias. Respuesta en frecuencia del TBJ, elementos parásitos en la fabricación de TBJ ejemplo de diseño de amplificador de tensión utilizando TBJ. Analsis de hojas de datos, extracción de parametros desde la hoja de datos. Modelo de Eber y Moll para el TBJ. TBJ como llave: corte, saturación y velocidad de conmutación. Modelo SPICE. TEMA 6: TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO Definicion del JFET, simbolo circuital y convenciones para tensión corriente, Clasificacion de los JFET. Fisica del dispositivo: Principios de operación, canal, compuertas, tensión estrangulamiento; zona lineal u ohmica, resistencia drenador fuente, zona de saturación, zona de corte. Curvas características: corriente drenador versus tensión drenador surtidor, corriente drenador versus tensión compuerta fuente, tensión de compuerta fuente versus tensión drenador fuente. Modulacion del largo del canal. Polarización del JFET. Modelos de pequeñas señales, tranconductancia, capacidades.Respuesta en frecuencia. Circuitos de aplicación típicos como amplificador, como llave electrónica, como resistencia controlada por tensión. TEMA 7: TRANSISTOR MOS Principios de operación, canal inducido y canal permanente (enriquecimiento y deplexion) compuerta, dióxido, tensión de umbral. Física del MOS de enriquecimiento y MOS de deplecion. Ecuaciones. Zona lineal u ohmica, zona saturada y zona de corte. Curvas características: corriente drenador versus tensión drenador surtidor, corriente drenador versus tensión compuerta fuente, tensión de compuerta fuente versus tensión drenador fuente. Modulación del largo del canal. Comparacion de MOS con el JFET. Modelos de pequeñas señales, tranconductancia, capacidades y respuesta en frecuencia.Transistor MOS como llave (inversor), MOS como carga. Circuitos de aplicación típicos. Retardos de conmutación en el MOS con carga resistiva. Carga y descarga de capacitores con MOS. Inversor CMOS. Funcionamiento con resistencia infinita de carga, con resistencia finita y con carga capacitiva. Llave Analógica CMOS. Función de transferencia. TEMA 8: DISPOSITIVOS DE 4 CAPAS TIRISTOR. Definición del dispositivo, Estados de funcionamiento del diodo de 4 capas. Corriente de enganche y corrriente de mantenimiento, Modelo del diodo de 4 capas utilizando dos TBJ´S. Limitaciones del dispositivo: di/dt, dV/dt. Rectificador controlado de silicio SCR: Caracteristica V-I, Zona de disparo segura, Control de potencia utilizando un SCR. TRIAC y DIAC. Ejemplos de hojas de datos Dispositivos de compuerta aislada IGBT. TEMA 9: FABRICACION DE CIRCUITOS INTEGRADOS: Procesos basicos en la fabricacion de CIM, Metodo para caracterizar el proceso de Difusion, Tecnica planar epitaxial, parametros caracteristicos del proceso, difusiones de aislacion , fabricacion de transistores, resistores y capacitores, metalizado de contactos. Parametros caracteristicos de los componentes fabricados con la tecnologia planar epitaxial. TEMA 10: CIRCUITOS INTEGRADOS MONOLITICOS: AMPLIFICADORES OPERACIONALES INTEGRADOS. Evolucion de los circuitos electronicos, Definicion de Circuitos Integrados Monoliticos, Caracteristicas de los CIM, Clasificacion de los CIM, Ejemplos de CIM. Amplificador Operacional Integrado ideal, Modelo del Amp.Op.Id. Amplificador Operacional real, características. Amplificador Operacional básico; análisis del circuito (diferencial con carga activa), respuesta en frecuencia, slew-rate, ancho de banda de potencia. Especificaciones y características reales. Off-sets. Ordenes de magnitud y origen de las limitaciones y características principales. TEMA 11: REGULADORES DE TENSION LINEALES INTEGRADOS. Reguladores serie y paralelo, principio de funcionamiento. Caracteristicas: regulación de carga, de linea, ripple de salida, impedancia de salida, tiempo de recuperación. Esquema de un regulador serie, tension de referencia: diodo zener, fuente de banda prohibida, amplificador de error y circuito de muestreo, transistor de paso. Protecciones: de corriente, de tensión y de potencia. Ejemplos de Reguladores integrados. Diseño TEMA 12: REGULADORES DE TENSION CONMUTADOS INTEGRADOS. Regulador conmutado, principios de operacion, modulacion del ancho del pulso, filtro de salida. Calculo del valor de L (inductor) y de C (capacitor). Zumbido (ripple). Convertidor AC/DC, Diagrama en bloques de un regulador conmutado, filtro y rectificador de entrada, el inversor de alta frecuencia, rectificador y filtro de salida, circuito de control, PWM. Fuente tipo Fly back y Forward. Comparacion con el regulador lineal. Ejemplos de Reguladores integrados conmutados.