Semiconductores

ELECTRÓNICA ANALÓGICA I
• EL DIODO
Prof. Mónica Huerta

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.

ESTRUCTURA ATÓMICA
• Todos los elementos están dispuestos en la tabla periódica de
acuerdo con su número atómico.
• El número atómico es igual al número de protones en el núcleo, el
cual es igual al número de electrones en un átomo eléctricamente
balanceado (neutro).
• Los electrones cercanos al núcleo tienen menos energía que
aquellos que describen órbitas más distantes.

ESTRUCTURA ATÓMICA
Niveles de Energía
• Cada distancia al núcleo es discreta (órbita), al cual le corresponde
un nivel de energía para cada uno.
• Las órbitas se agrupan en bandas de energía o capas.
• Un átomo tiene un número fijo de capas y cada capa tiene un
número fijo máximo de electrones con niveles de energía
permisibles.
• La capa 1 es la más cercana al núcleo

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  

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.

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.

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

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.

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.

ESTRUCTURA ATÓMICA
• Entonces, cuando un electrón adquiere suficiente energía adicional puede
abandonar la capa de valencia, convertirse en un electrón libre y existir en
lo que se conoce como banda de conducción.
• La diferencia de energía entre la banda de valencia y la banda de
conducción se llama banda prohibida.
• Una vez en la banda de conducción, el electrón es libre de moverse por
todo el material y no queda enlazado a ningún átomo dado.

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

SEMICONDUCTORES
• Los electrones de valencia del germanio residen en la cuarta capa,
mientras que los del silicio están en la tercera, más cerca al núcleo.
• Los electrones de valencia del germanio se encuentran a niveles de
energía más altos que los del silicio, por tanto, requieren de menos
energía adicional para escaparse del átomo.
• Esta propiedad hace que el germanio sea más inestable a altas
temperaturas, lo que produce una excesiva corriente en inversa
Los Semiconductores puros son
llamados intrísecos

SEMICONDUCTORES
• Tanto el silicio como el germanio son materiales tetravalentes,
poseen 4 electrones en su última capa u órbita.

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

SEMICONDUCTORES TIPO N
• Se llaman tipo N porque tiene mayor cantidad de
electrones.
• Para obtener este tipo de silicio se mezcla al silicio con
un material pentavalente (impureza); en el elemento
que se producen los enlaces sobre un electrón.
Arsénico (As)
Antimonio (Sb)
Bismuto (Bi) Familia VA
Fósforo (P)

SEMICONDUCTORES TIPO N
Material tipo N también es
llamado Donador de
Electrones
Los electrones se conocen
como portadores
mayoritarios en materiales
tipo n

SEMICONDUCTORES TIPO P
• Tienen este nombre debido a que poseen mayor
cantidad de lagunas
• Para obtener este tipo de silicio se mezcla al
silicio con un material trivalente
• Materiales Usados
Boro (B),
Indio (In) Familia IIIA
Galio (Ga).

SEMICONDUCTORES TIPO P
Material tipo P
también es llamado
Aceptador de
Electrones

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.

EL DIODO UNIÓN P ‐ N
• Este movimiento de electrones es un tipo de corriente en un material
semiconductor y se llama corriente de electrón (“sentido real de la
corriente”).
• Aun cuando la corriente en la banda de valencia es producida por
electrones de valencia, se llama corriente de hueco (“sentido
convencional de la corriente”).
ELECTRÓNICA ANALÓGICA
En la región de empobrecimiento
existen muchas cargas positivas y
muchas cargas negativas en
los lados opuestos de la unión pn

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

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.

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.

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.

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.

La Ecuación de la Curva Característica es .
Donde  ID = Corriente del diodo
Donde  Is = Corriente de saturación
Donde  VD = Voltaje del diodo en directa
Donde  Tk = Temperatura Kelvin,
Tk = TC +273°
Donde   ,
con   para Ge y para Si
 /
1D KBV T
D SI I e 
11594
B
n

1n  2n 

La Ecuación de la Curva Característica es .
q
B
n k


19
1.6 10q C
 
23
1.38 10 /k J K
 
 /
1D KBV T
D SI I e 
1 1
11594
carga útil de electrón
VT Cte de Boltzman
 
11594
B
n


Con esta ecuación se puede simular la curva característica para
polarización directa para el diodo de silicio:
E(v) VD(v) ID(mA)
0,17 0,17 0
0,82 0,52 0,2
1,5 0,57 0,7
2 0,6 1,2
2,5 0,62 1,7
3 0,625 2,08
3,4 0,633 2,4
4 0,64 3,03
4,5 0,648 3,53
5 0,658 4,33
10 0,689 9,7
15 0,71 15,2
 /
1D KBV T
D SI I e 

La gráfica obtenida será:
Curva característica del Diodo de Silicio
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 0,2 0,4 0,6 0,8
VD (V)
ID(mA)
Curva característica del Diodo
 /
1D KBV T
D SI I e 

Con esta ecuación se puede simular la curva característica para
polarización directa para el diodo de germanio:
E(v) Vd(v) Id(mA)
0,5 0,15 0
1 0,25 0,5
1,5 0,31 0,9
2 0,36 1,5
2,5 0,4 1,9
3 0,44 2,4
3,5 0,48 3
4 0,51 3,4
4,5 0,54 3,9
5 0,58 4,5
10 0,85 9,6
15 1,07 14,8
 /
1D KBV T
D SI I e 

La gráfica obtenida será:
Curva Careterística del Diodo de Germanio
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 0,3 0,6 0,9 1,2
VD (V)
ID(mA)
Curva Careterística del Diodo
 /
1D KBV T
D SI I e 

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.

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.

Niveles de Resistencia
• Debido a la forma de la curva del diodo, significa
que la resistencia varía y dependerá del tipo de
voltaje aplicado.
 RESISTENCIA ESTÁTICA
Al aplicar una tensión continua, fluirá una corriente
constante a través del dispositivo y por tanto
presentará una resistencia también constante
D
D
D
V
R
I


Para todo valor menor a a
VD, por tanto a ID, la
resistencia será menor
D
D
D
V
R
I


• 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

d
d
d
V
r
I



A mayor inclinación, menor es el cambio de
voltaje con respecto al de la corriente,
menor Resistencia.
A menor inclinación, mayor es el cambio de
voltaje con respecto al de la corriente,
mayor 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

• 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
 

Capacitancia de Difusión y Transición
• El diodo ante la presencia de frecuencia
presenta niveles de capacitancia parásita,
donde es importante considerarlos.
• En la región de polarización en inversa está la
capacitancia de transición CT mientras que en
la directa está la capacitancia de
almacenamiento CD

Capacitancia de Difusión y Transición
• Debido a que en polarización inversa las cargas
positivas y negativas respectivamente se alejan
de la barrera de potencial es que se genera el
efecto capacitivo de CT
• En Directa CD >> CT y en inversa sucede lo
contrario.
• El efecto capacitivo aparece ante señales de baja
potencia y a frecuencias altas

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

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.

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).

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.

Diodos Zener
• Existe una pequeña inclinación en Vz una vez que se llega a alcanzarlo

Diodos Zener
• El potencial de un diodo Zener se encuentra
estrechamente ligado a la temperatura de
operación.

Diodos Zener
• Analizar Vo vs VI en los siguientes circuitos

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
    
   

Rectificador de Media Onda
2
2
max
max
max
max 0.318
Vp Veff
Vpp Vp
VR Vp
V V Vd
V
Vmed V
Vm
IR ID
R

 

 
 
  
 
Para efectos de diseño IRIRIRID
3
4
3
1

La relación del
transformador es
Vsec = nVpri

Rectificador de Onda Completa –
Transformador de toma central

Rectificador de Onda Completa –
Transformador de toma central
2
2
max 2
max 1
2 max
max 0.636
Vp Veff
Vpp Vp
VR Vp VD
V Vp VD
V
Vmed V

 

 
 
  
4 2
3 2 3
sec *
Vm
IR
R
IR
ID IR
P Veff IR

 


Rectificación con Puente de Graetz

Rectificación con Puente de Graetz
2
max 2
2 max
2 0.318 max
max
2
vp Veff
V Vp VD
V
Vmed V
VR Vp
IR
ID
PT Veff IR

 
 

   


 

Fuente de Tensión con Filtro
• El filtro simplemente está conectado de la salida del rectificador a tierra.
• RL representa la resistencia equivalente de una carga.
• Cuando instale capacitores polarizados en un circuito, asegúrese de hacerlo
respetando la polaridad apropiada. El conductor positivo siempre se conecta al lado
más positivo del circuito.

• 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

• El condensador permite el paso de bajas frecuencias hacia la carga e impide el paso de
frecuencias altas(filtro paso bajo)
• El diodo solo conducirá cuando la tensión de entrada sea superior a la tensión
mantenida por el condensador.

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

• Para una Rectificación de Onda Completa se
tendría:
Aparecerá un Vmed o voltaje medio del condensador, que
es la componente continua del voltaje a la salida del filtro
= Vcd
 
max
2
r ppV
Vcd VC 

Vrpp = ∆V = Variación de Voltaje Pico – Pico
VC = Voltaje en el Capacitor
VCmax = VM = Vmax = Voltaje pico Máximo en el capacitor.
Vmed = Vcd = Voltaje medio o Voltaje en corriente continua
Factor de rizo:
 
max
2
r ppV
Vcd VC 

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:
   
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 

• 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

• Se puede agregar un filtro paso bajo adicional para reducir aún
más la cantidad de rizo

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

 


 

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

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):

• 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.

• Reguladores de tensión fija tri – terminal (Regulador Lineal):
• EL voltaje de la entrada debe ser de por lo menos 2.5V aproximadamente.

• 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.

• El LM317 posee internamente una referencia de tensión que
proporciona un VREF=1.25 V (typ) entre los terminales OUT y ADJ y
está polarizado por una fuente de corriente estable de IADJ= 65µA
(valor típico).
Una buena aproximación es considerar que la corriente
IADJ (65µA) es muy inferior a las corrientes (mA) que
circulan por las resistencias R1 y R2. Y la ecuación se reduce
a:
2
2
1
1 RIADJVREF
R
R
Vo 






VREF
R
R
Vo 






2
1
1

Circuitos Recortadores de Tensión
• Circuitos Recortadores, recortan una porción de señal de entrada.
En el siguiente ejemplo, se realiza un recorte para +6V y ‐9V

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