2. INTRODUCCIÓN
• La importancia de los semiconductores en los
avances tecnológicos ha sido vital pues a
partir del uso de estos materiales hoy en día
encontramos un gran número de dispositivos
electrónicos que basan su funcionamiento en
los semiconductores, incluso se puede llegar
a decir que todo lo que usamos en la
actualidad usa semiconductores.
5. ESTRUCTURA ATÓMICA
Número de electrones en cada capa
• El número máximo de electrones (Ne) que puede existir en cada
capa de un átomo es un hecho de la naturaleza y se calcula con la
fórmula
2
2Ne n
El número máximo de electrones que puede existir en la
capa más interna (capa 1) es
22
2 2 1 2eN n
6. ESTRUCTURA ATÓMICA
• Todo átomo en su parte periférica posee un grupo de partículas que
giran alrededor del núcleo llamadas electrones, los mismo que puede
ser
• Ligados al núcleo: Electrones cercanos al núcleo. Electrones más
cercanos al núcleo están más cargados negativamente
• Electrones de valencia: En la capa más externa de un átomo
existen electrones con un alto nivel de energía y están relativamente
enlazados al núcleo.
• Esta capa más externa se conoce como la capa de valencia y los
electrones presentes en esta capa se llaman electrones de valencia.
• Son los electrones que contribuyen a las reacciones químicas.
7. ESTRUCTURA ATÓMICA
• Ionización: Cuando un átomo absorbe energía de una fuente calorífica o
luminosa, por ejemplo, las energías de los electrones se elevan.
• Los electrones de valencia poseen más energía y están ligeramente
enlazados al átomo que los electrones internos, así que pueden saltar con
facilidad a órbitas más altas dentro de la capa de valencia cuando el átomo
absorbe energía externa.
• Si un átomo de valencia adquiere una cantidad suficiente de energía puede
escapar con facilidad de la capa externa y de la influencia del átomo.
8. ESTRUCTURA ATÓMICA
• Los electrones de valencia permiten la siguiente clasificación de
materiales:
• Conductores: material que conduce corriente eléctrica fácilmente
• Aislantes: material que no conduce corriente eléctrica en condiciones
• Semiconductores: material a medio camino entre los conductores y los
aislantes, en lo
• que a su capacidad de conducir corriente eléctrica respecta
9. ESTRUCTURA ATÓMICA
• Hueco o laguna: es el espacio que deja un electrón al salirse de su
órbita.
Para que un electrón deje su órbita se deba aplicar una fuerza
a la materia; esta fuerza puede ser la luz, el calor, el voltaje, la
presión, etc.
• La estructura atómica de la materia determina que: Todo material
está constituido por tres bandas de energía, zonas o niveles de
energía.
10. ESTRUCTURA ATÓMICA
• Banda de Conducción: espacio en el que se encuentran las
cargas positivas, es decir, existen menor cantidad de
electrones y hay mayor cantidad de huecos.
• Banda de valencia: dimensión en la que están las cargas
negativas, o donde, hay la mayor cantidad de electrones.
• Banda prohibida: aquella que no posee ninguna carga. Es
el punto neutro.
13. ESTRUCTURA ATÓMICA
• La banda prohibida es la que se opone al salto de
electrones de la banda de valencia hacia la de
conducción.
• Banda Prohibida Grande demasiado Grande
|‐> Aislante
• Banda Prohibida Grande Pequeña
|‐> Conductor
• Banda Prohibida equilibrada con las otras dos
|‐> Semiconductor
16. SEMICONDUCTORES
• Tanto el silicio como el germanio son materiales tetravalentes,
poseen 4 electrones en su última capa u órbita.
17. SEMICONDUCTORES
• Los Semiconductores intrínsecos pueden ser “contaminados” con
impurezas en mínimas proporciones, una partícula por millón, este
proceso se llama dopaje.
• Se consigue a partir del “dopaje”, semiconductores:
– Tipo N
– Tipo P
22. EL DIODO UNIÓN P ‐ N
• En el instante de la unión de los dos materiales se produce un
intercambio de electrones entre los dos tipos, del tipo N al tipo P y
viceversa de lagunas, del material tipo P al tipo N
• En el centro o juntura se crea una zona neutra, característica de los
semiconductores, llamada BARRERA DE POTENCIAL.
Las flechas
entre las cargas positivas y
negativas en la región de
empobrecimiento representan el
campo eléctrico.
24. EL DIODO – Polarización Directa
• Polarizando el diodo como en la gráfica, se logra que los electrones salten de
N a P (polos iguales se repelen y polos de diferentes se atraen).
• Como las cargas iguales se repelen, el lado negativo de la fuente de voltaje de
polarización “empuja” a los electrones libres, los cuales son los portadores
mayoritarios en la región n, hacia la unión pn
• Movimiento de Electrones ‐> circulación de corriente
En la práctica es necesario colocar
una resistencia en serie para limitar
la corriente
25. EL DIODO – Polarización Directa
• A medida que fluyen más electrones hacia la región de empobrecimiento, el
número de iones se reduce.
• Conforme más huecos fluyen hacia la región de empobrecimiento del otro lado
de la unión pn, el número de iones negativos se reduce.
• Esta reducción de iones positivos y negativos durante la polarización en directa
hace que la región de empobrecimiento se estrecha.
26. EL DIODO – Polarización Inversa
• No se repelen los electrones, sino más bien son atraídos hacia
los extremos del semiconductor haciendo que aumente la
barrera de potencial
• Se hace más difícil el salto de los electrones del silicio N al P;
por lo que no existe circulación de la corriente.
• En polarización inversa, Mayor Voltaje, Mayor Barrera de
Potencial.
27. EL DIODO – Efecto Avalancha
• Si seguimos aumentando el voltaje llegará un momento en el
que los electrones tengan la suficiente energía para saltar la
barrera de potencial, a pesar de que esta sea grande.
• Dado que el voltaje es elevado la circulación de corriente
también será elevada provocando la destrucción del
semiconductor.
28. CURVA CARACTERÍSTICA
En polarización inversa se comporta el diodo como
un aislante circulando una intensidad
despreciable.
En polarización directa, se comporta el diodo como conductor y circulará
una corriente.
La Is o corriente de fuga para
el Si es de 1nA y para el de Ge
es de 10nA.
35. Cambio de Temperatura en el Diodo
• Si al diodo de Ge, se le aumenta la temperatura la curva característica de
este varía rápidamente mucho más que en el de Si de tal forma que en
poco tiempo después de haber empezado a calentarlo este diodo ya
empieza a conducir negativamente pues el Ge es menos estable.
• Este fenómeno sucede debido a que con el aumento de la temperatura del
diodo recibe una excitación externa al flujo de electrones producida por la
tensión aplicada al diodo al circuito haciendo que un número de
electrones superen la barrera de potencial y así el diodo pueda conducir
más rápido es decir con menor cantidad de voltaje.
36. Lo Ideal VS lo Real
• Idealmente un diodo para que permita el flujo de la
corriente, su resistencia debería de ser 0Ω, mientras
que para la región de polarización indirecta sería
∞Ω.
• Sin embargo se ha analizado que el diodo empieza a
conducir a partir de un nivel de voltaje, lo que indica
que existe una cantidad de oposición de la corriente
antes de llegar a la tensión de conducción.
39. Niveles de Resistencia
• Resistencia Dinámica
Al aplicar una señal de tipo cambiante como una
senoidal se tendrá por tanto que el punto de
operación cambiará en función de esta Señal.
Esto indica que existirá un cambio en la corriente y la
tensión de forma específica
41. Niveles de Resistencia
• Se puede determinar la resistencia dinámica aplicando el
concepto geométrico de la derivada a la ecuación de la corriente
del diodo
ELECTRÓNICA ANALÓGICA
/ *
11
*
D TV n V
D
d D D
D D s
D T
d Is ed I
r dV dV
d I I I
dV n V
Donde k = 11604/η, con η = 1 para Ge y η = 2 para Si. η Factor
de idealidad
11604 ≈ carga útil de 1 electrón/ Cte de Boltzman
11604 ≈ 1,602 E‐19 C / 1.38065E‐23
VT= Cte de Boltzman*Tk/carga útil de 1 electrón
VT=Voltaje térmico
/
/( * )
1
1
/ 1/ ( * )
D
D T
kV Tk
D S
V n V
D S
T
I I e
I I e
k Tk n V
Para ID>>Is
*
*
26
D D
D T
D T
d
D D
d
D
d I I
dV n V
dV n V
r
d I I
mV
r
I
Para un diodo
de Silicio a 27°C
42. Niveles de Resistencia
• Para generalizar se tiene:
rB = Resistencia del Material, que varía de 0,1Ω para
dispositivos de alta potencia, hasta 2Ω para ciertos diodos
de uso general de baja potencia
Resistencia CA Promedio: Se obtiene de la recta trazada entre los dos
puntos de operación
26
d B
D
mV
r r
I
46. Tiempo de Recuperación en Inversa
• Si a un diodo que se encuentra trabajando en polarización directa
se invierte la misma, se espera que en seguida el diodo deje de
conducir, y los portadores deben retroceder a la posición original,
lo cual demanda una determinada cantidad de tiempo ‐>trr o
tiempo de recuperación
47. Diodos Zener
• También conocidos como diodos de Avalancha.
• En polarización directa, estos diodos trabajan de forma similar a
los diodos de unión NP ya analizados.
• En polarización indirecta el diodo Zener permite la conducción
de corriente a partir del voltaje de ruptura, tomando en cuenta
que teóricamente el voltaje no cambiará.
48. Diodos Zener
Cuando se polariza inversamente, de igual forma el voltaje de ingreso va aumentando
hasta alcanzar el voltaje Zener, es decir el valor de la tensión para el cual el Zener funciona
como estabilizador.
S
i seguimos aumentando el voltaje de ingreso el Zener se mantiene con la tensión
constante, y solo variara la corriente que circula por el mismo (Izr=Corriente Inversa).
49. Diodos Zener
Para que el Zener funcione como estabilizador, además de la tensión necesita de
una corriente mínima de 5mA.
En un circuito con diodo zener es necesario de una resistencia limitadora (RL)
necesaria para limitar la corriente del zener y de la carga, ya que si el voltaje de
ingreso es superior al del diodo zener, el exceso de voltaje se quedaría en la
resistencia, caso contrario el diodo zener se quemaría.
54. Valor DC y RMS de una señal
• El valor de DC (“corriente” directa) de una forma de onda w(t) está
dado por su promedio de tiempo. <w(t)>
• El valor cuadrático medio de una forma de onda w(t) está dado por
/2
/2
1
lim
T
dc
T
T
W w t dt
T
2
/2
2
/2
1
lim
RMS
T
RMS
T
T
W w t
W w t dt
T
62. Fuente de Tensión con Filtro
• En la mayoría de las aplicaciones de fuentes de alimentación, el voltaje de línea
de ca estándar de 60 Hz debe ser convertido en un voltaje de cd
aproximadamente constante.
• La salida de cd pulsante de 60 Hz de un rectificador de media onda o la salida
pulsante de 120 Hz de un rectificador de onda completa deben ser filtradas
para reducir las grandes variaciones de voltaje
64. Fuente de Tensión con Filtro
C=I/(F * ΔV)
El condensador depende de VCmax
• Mientras la constante de tiempo RC sea
mucho mayor que el periodo, el
condensador permanece casi
totalmente cargado y la tensión en la
carga es Vcmax aproximadamente
• Se Obtiene una componente continua,
y sobre ella una componente en
alterna, cuyo valor de rizado máximo
depende del filtro
67. Como la componente de voltaje de ca de una señal que contiene un nivel de cd es Vca =V
– Vcd, donde V es el voltaje que desplaza la señal.
Implementando las ecuación del Valor Cuadrático Medio (RMS) se tiene:
Fuente de Tensión con Filtro
2
2
0
1
2
r caV RMS v t dt
Resolviendo para media onda:
0.308 maxrV RMS V
Considerando la forma triangular
aproximada en el rizo de onda
completa se tiene:
2 3
r
r
V pp
V RMS
68. Fuente de Tensión con Filtro
• Para una Rectificación de Onda Completa se tendría:
C=I/(F * ΔV)
El condensador depende de VCmax
max
2
r ppV
Vcd VC
2 3
r
r
V pp
V RMS
Vrpp=2*Voltaje de Rizo pico
71. Fuente de Tensión Estabilizada
• El Zener absorbe variaciones de corriente.
• Al colocar un zener con un Vz menor a Vcmin se obtiene una
tensión continua
Ic
max
2
min
V
Vmed VC
Vm Vz
RL
IRL
IRL Ic Iz
72. Fuente de Tensión Estabilizada
• El Zener absorbe variaciones de corriente.
• Al colocar un zener con un Vz menor a Vcmin se obtiene una
tensión continua
Ic
max
2
min
V
Vmed VC
Vm Vz
RL
IRL
IRL Ic Iz
Vmed, ya no es el voltaje de
salida de la fuente, es solo el
voltaje de salida del filtro, es
decir es la componente
continua del voltaje del
capacitor
El voltaje de salida de la fuente
ahora es el mismo del voltaje
del zener polarizado en inversa
73. Circuitos Reguladores de Tensión
Las fuentes de alimentación sencillas construidas con un
transformador cambian con la corriente de la carga y con
la tensión de la línea, y además presentan una cantidad
significativa de rizado a la frecuencia de la red.
Tipos:
• reguladores lineales:
• reguladores conmutados:
• Reguladores de tensión fija
tri – terminal (Regulador Lineal):
74. Circuitos Reguladores de Tensión
• Reguladores de tensión fija tri – terminal (Regulador Lineal): Típicos de
tres terminales. Están ajustados para proporcionar una tensión de salida
constante.
• µA78XX (positivos) o µA79XX (negativos) de Fairchild. Los dos últimos
dígitos indicados por XX indican la tensión de salida y pueden ser 05, 06, 08,
12, 15, 18 y 24 V.
76. Circuitos Reguladores de Tensión
• Reguladores de tensión variable tri – terminal (Lineal): Aajustar la
tensión de salida por medio de resistencias externas conectadas al
terminal denominado ADJUSTMENT o ADJ.
• Los productos más utilizados de este tipo es el LM317 (positivo) y
LM337 (negativo).
Para evitar un posible ruido en la señal de salida del integrado, en la carga concretamente
colocamos un condensador de 1μF en paralelo a la carga.