47
IT Minatitlán istomar 1.2, 1.3 - 1 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales i s t o m a r Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales 1.3.1 Características de los semiconductores. Isaías Torres Martínez

SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 1 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

i s t o m a r

Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

1.3.1 Características de los

semiconductores.

Isaías Torres Martínez

Page 2: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 2 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

1.3.1.1, 1.3.1.2 Semiconductores: Silicio y Germanio • Semiconductores: Materiales que poseen un nivel de

conductividad sobre algún punto entre los extremos de un aislante y un conductor. COBRE: = 10-6 -cm MICA: = 1012 -cm

SILICIO = 50 x 103 -cm GERMANIO: = 50 -cm

– Alto nivel de pureza

– Existen grandes cantidades en la naturaleza.

– Cambio de características de conductores a aislante por medio de procesos de dopado o aplicación de luz ó calor.

• Materiales semiconductores (Germanio y Silicio): – Estructura atómica: Red cristalina

– Enlaces entre átomos: Covalentes

– Electrones de valencia: 4

Page 3: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 3 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

Banda de conducción

Banda prohibida Eg > 5 V

Banda de valencia

Banda de conducción

Banda prohibida Eg = 1.1, 0.67, 1.41 V

Banda de valencia

Banda de conducción

Banda de valencia

Aislante Semiconductor Conductor

Niveles de energía

• Mientras más distante se encuentre el electrón del núcleo mayor es el estado de energía, y cualquier electrón que haya dejado su átomo, tiene un estado de energía mayor que cualquier electrón en la estructura atómica.

Page 4: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 4 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

Material Intrinseco

Materiales extrinsecos

TIPO N TIPO P

Si Si Si

Si Si Si

Si Si Si

Si Si Si

Si 5 Si

Si Si Si

Si Si Si

Si 3 Si

Si Si Si Antimonio Arsénico Fósoforo

Boro Galio Indio

1.3.1.3 Material intrínseco y extrínseco: Materiales tipo N y tipo P

Page 5: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 5 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

Portadores

mayoritarios

Portadores

minoritarios

Iones

donadores

Portadores

mayoritarios

Portadores

minoritarios

Iones

aceptores

Tipo N Tipo P

Región de

agotamiento

Tipo p Tipo n

Unión P-N

Page 6: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 6 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

p n

p n

p n

Sin polarización

Polarización inversa

Polarización directa

Polarización

Page 7: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 7 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

VD

ID

Is

VT

Curva característica

Page 8: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 8 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

i s t o m a r

Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

1.3.2 Dispositivos semiconductores.

Isaías Torres Martínez

Page 9: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 9 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

+ -

Ánodo Cátodo

2.2.1 Diodo

• Elemento de dos terminales formado por una unión P-N

Page 10: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 10 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

ID=IS(ekVD/Tk-1)

IS Corriente de saturación inversa

k 11600/ (=1 para Ge, y =2 para Si)

Tk = TC + 273

Corriente en el diodo

• Región Zener:

– Bajo polarización negativa existe un punto en el cual bajo un voltaje negativo lo suficientemente alto, da como resultado un agudo cambio en las características del diodo.

– A este voltaje se le conoce como “voltaje pico inverso” (PRV ó PIV )

Page 11: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 11 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

Modelo Ideal:

Modelo Simplificado:

Modelo de segmentos lineales:

VD

ID

VD

ID

VT

VD

ID

VT

rav

VT

VT rav

Modelado de diodos

Page 12: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 12 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

• Sostiene un nivel de voltaje

• Opera en la región de polarización negativa

• La dirección de la conducción es opuesta a la de la flecha sobre el símbolo.

• El voltaje Zener es muchas veces menor que el VIP de un diodo semiconductor, este control se logra con la variación de los niveles de dopado.

• Los voltajes zener van desde 1.8 V hasta 200V, con rangos de potencia de ¼ W hasta 50W.

Diodo Zener

Page 13: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 13 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

Con fuentes de CD.

-Determine el estado del diodo

-Sustituya el equivalente adecuado

-Determine los parámetros restantes de la red.

E

R3

E

R3

Determine VD,, VR, ID.

Ambos casos

E=8V, 0.5

R3=2.2k, 1.2k

Análisis de circuitos con diodos

Page 14: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 14 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

12VGeSi

5.6k

VR, IR

12VSi

5.6k

Si

VD1 , VD2, ID, VR.

10V

5V

2.2K

Si

4.7K+

V0

-

VD, ID, V0.

Análisis de circuitos con diodos

3.9k

3.9k

RA

RB

Page 15: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 15 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

12

10V

12

Si

330

Si

+

V0

-

ID1, ID2, IRC, V0.

12

12

12VSi2.2K

Ge

VRD

SiSi

3.3K

5.6K

20V

IRA, IRE

Análisis de circuitos con diodos

RC

RD

RA

RE

Page 16: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 16 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

Práctica P16

• 4 diodos 1N4004 o equivalente

• 2 diodos OA81 o equivalente

• Realizar cálculos de los 4 últimos circuitos

• Implementar y medir variables

• El reporte debe seguir el formato de los anteriores.

Page 17: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 17 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

• Rectificadores

– Su principal uso es en sistemas electrónicos encargados de realizar una conversión de potencia de ac, en potencia de dc.

Aplicaciones con diodos: Rectificador de media onda

Page 18: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 18 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

Rectificador de onda completa

Page 19: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 19 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

• Recortan una porción de la señal de entrada sin distorsionar la parte restante de la forma de onda alterna.

Recortadores

Page 20: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 20 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

Sujetador (cambiador de nivel)

Page 21: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 21 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

Regulador de voltaje con diodo zener

Page 22: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 22 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

In1

In2

0

Vo.

D1

D2

1k

In1

In2

0

Vo.

D1

D2

1k

5V

In1 In2 V0

0 0

0 1

1 0

1 1

In1 In2 V0

0 0

0 1

1 0

1 1

Práctica P17: Compuertas Lógicas con Diodos

Vin (volt)

5.0

2.0

0.8 VIL

VIH 1

0

Vout (volt)

5.0

2.7

0.5

VOL

VOH 1

0

(Laboratorio)

Page 23: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 23 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

1.3.2.2 Transistores

Page 24: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 24 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

Page 25: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 25 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

Transistores

Page 26: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 26 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

I - - -

e-

-

Colector Emisor

Base

Colector Emisor

Base

Colector Emisor Base

P N P

Colector Emisor Base

N P N

Base poco dopada

Emisor más dopado que colector

El transistor bipolar de unión (BJT)

Page 27: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 27 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

p

r

E

p n

V V0

r

E

Unión no polarizada

Page 28: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 28 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

similar a dos diodos con polarización directa

p

r E

p n

V V 0

r E

I E I B I C

I B + I C = I E

El transistor polarizado (saturación)

Page 29: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 29 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

p

r E

p n

V

V0

r E

IE = IC = IB = 0

similar a dos diodos con polarización inversa

El transistor polarizado (corte)

Page 30: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 30 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

p

rE

pn

rE

(P) Emisor (P) Colector (N) Base

I E

I B

I nB

I BB

I nC

I pB

I C BC II

Transistor polarizado en forma activa

Page 31: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 31 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

(P) Emisor (P) Colector (N) Base

I E

I B

I nB

I BB

I nC

I pB

I C

BC inversa puede conducir si BE directa

Los huecos que se difunden de E a B llegan a C

factor de ganancia BC II

Transistor polarizado en forma activa

Page 32: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 32 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

(P) Emisor (P) Colector (N) Base

IE

IB

InB

IBB

InC

IpB

IB = -InC + IBB +InB IC = IpB - IBB + InC IE = IpB + InB

IC IpB, huecos que por difusión

pasan del emisor a la base.

InB, electrones que pasan de

la base al emisor.

IBB, electrones procedentes del

circuito para cubrir las

recombinaciones.

InC, débil corriente de electrones del

colector a la base.

Page 33: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 33 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

Hay 4 variables que dependen el tipo de conexión: Vsalida, Ventrada, Isalida, Ientrada.

Base común

Variables:

VBE, VCB, IE, IC

E

B

C

Emisor común

Variables:

VBE, VCE, IB, IC

B

E

C B E

C

Colector común

Variables:

VCB, VCE, IB, IE

1.3.3 Diseño con semiconductores: Configuraciones del transistor

Page 34: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 34 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

RC

VCC IB = 1 mA

VBB

RB

n

C

B p

n

IC = 99 mA

IE = 100 mA E 100 %

99 %

1 %

99E

c

I

I

RC

RB

VBE VCC VBB VCE

IC

IB

E

C

B

Configuración en emisor común

Page 35: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 35 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

RC

RB

VBE VBB

VCE

IC

VCC E

C

B

IB

VBE

IB

0,7 V VBE = VBB - IB RB

VBE 0,7 V

Curva característica de entrada

Page 36: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 36 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

VCE (V)

IC

IB = 20 µA

IB = 40 µA

IB = 60 µA (mA) RC

RB

VBE VBB

VCE

IC

VCC E

C

B

IB

VCE = VCC - IC RC

Curva característica de salida

Page 37: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 37 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

Variables: VBE, VCE, IB, IC

RB

RC

+VCC

Vsalida

Ventrada

RC

RB

VBE VCC VBB VCE

IC

IB VBE 0,7 V para silicio

IC = IB

VBE = VBB - IB RB

VCE = VCC - IC RC

IC

IB

Emisor común: variables

Page 38: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 38 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

• En región activa: unión EB con polarización directa, BC con

polarización inversa. Aplicación en amplificación.

• En región de corte: las dos uniones polarizadas inversamente: circuito

abierto.

• En región de saturación: las dos uniones polarizadas directamente:

cortocircuito.

IB = 0 µA

IB = 40 µA

IB = 20 µA

I C (

mA

)

VCE (V)

Región de saturación

Región activa

Región de corte

IB = 80 µA

IB = 60 µA

RC

RB

VBE VCC

VBB VCE

Ruptura

Curvas características del transistor CE

Page 39: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 39 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

VBB (V) VCE (V) Ic (mA) IB (mA)

0,7 10 0 0

0,8 9,375 0,625 6,25

0,9 8,75 1,25 12,5

1 8,125 1,875 18,75

1,2 6,875 3,125 31,25

1,4 5,625 4,375 43,75

1,6 4,375 5,625 56,25

1,8 3,125 6,875 68,75

2 1,875 8,125 81,25

2,2 0,625 9,375 93,75

2,3 0 10 100

VBE = -IB RB+ VBB

RC =1 k

RB=16 k

VBE VCC=10 V

VBB = 2 V VCE

IC

VCE VCC = 10 V

C

CC

R

V

IB1

IB2

IB4

IB3

= 100 VBE 0,7 V

VCE = VCC - IC RC = 10 - 8,125 = 1,875 V

A25,8116000

7,02m

B

BEBBB

R

VVI

Ic = IB = 8,125 mA

Q

Q

Q

Saturación

Corte

IC

IB

Reg

ión a

ctiv

a

Línea de carga y punto de funcionamiento

Page 40: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 40 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

V BE 0,7 V VCE (V) Ic (mA)

0 12,00 5,550 6,450

1000 12 0,00

100 k

150

12 V

5 V

43,000 IB 43,00 µA 30,1 PEB 30,10 µW

6,450 Ic 6,45 mA 35,7975 PCE 35,80 mW

6,493 IE 6,49 mA PT 35,83 mW

5,550 VCE 5,55 V

4,850 VCB 4,85 V

V CC

V B

B

R B

R C

0

2

4

6

8

10

12

14

0 2 4 6 8 10 12 14

Vcc (V)

Ic (m

A)

43,00 µA 6,45 mA

6,49 mA

5,55 V

E

C

B

Línea de carga y punto de funcionamiento

Page 41: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 41 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

VCE = -IC RC+ VCC

IC

VCE

Q

O

VCE IC RC

VCC

C

CECCC

R

VVI

C

CC

R

V

RC

RB

VBE VCC

VBB VCE

IB1

IB2

IB4

IB3

Línea de carga y punto de funcionamiento

Page 42: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 42 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

IC

VCE

IB1

IB2

IB4

IB3 RC

RB

VBE VCC VBB VCE

IC

IB

VCC

C

CC

R

V

Punto de funcionamiento: IB

Page 43: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 43 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

IC

VCE

IB1

IB2

IB4

IB3 RC

RB

VBE VCC VBB VCE

IC

IB

VCC

1C

CC

R

V

2C

CC

R

V

3C

CC

R

V

Punto de funcionamiento: RC

Page 44: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 44 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

IC

VCE

IB1

IB2

IB4

IB3 RC

RB

VBE VCC VBB VCE

IC

IB

VCC3

C

CC

R

V 3

C

CC

R

V 2

C

CC

R

V 1

VCC2 VCC1

Punto de funcionamiento: VCC

Page 45: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 45 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

B E

B

C

IC

VCE VCC

Si VBB , IB = , IE IC = VCC/RC

zona de saturación

cortocircuito CE VCE = 0

Si VBB = 0 o < 0,7 V, IB = 0,

IE IC 0, VCE = VCC

Zona de corte

circuito abierto VCE = VCC

El transistor como conmutador

Page 46: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 46 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

VBB (V) VCE (V) Ic (mA) IB (mA)

0,7 10 0 0

0,8 9,375 0,625 6,25

0,9 8,75 1,25 12,5

1 8,125 1,875 18,75

1,2 6,875 3,125 31,25

1,4 5,625 4,375 43,75

1,6 4,375 5,625 56,25

1,8 3,125 6,875 68,75

2 1,875 8,125 81,25

2,2 0,625 9,375 93,75

2,3 0 10 100

RB

RC

+VCC

Vsalida

Ventrada

Ventrada Vsalida

A Y

Y = not A INVERSOR

Circuito inversor simple

Page 47: SCD1018 - 1.3 Dispositivos Activos - Semiconductores, Diodos, Transistores, Tiristores

IT M

inatitlán

isto

mar

1.2, 1.3 - 47 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales

Práctica P18: Compuertas Lógicas con Transistores

• En el documento “Laboratorio de Principios Electronicos y Aplicaciones Digitales - 2011AD - P18.pdf”.

• Distribuido por e-mail al representante de equipo de Laboratorio.