FACULTAD DE CIENCIAS ESCUELA PROFESIONAL DE FSICA APLICADA

FACULTAD DE CIENCIAS ESCUELA PROFESIONAL DE FÍSICA APLICADA CURSO: CIRCUITOS ELECTRÓNICOS AÑO ACADÉMICO: 2008 - II Unidad 01: Análisis de Circuitos con Diodos Semiconductores Tema: TEORÍA DE SEMICONDUCTORES Prof: M. Sc. Alberto E. Cohaila Barrios acohailab@unjbg. edu. pe, acohailab@hotmail. com, acohailab@speedy. com. pe

ELECTRONICA ANALÓGICA Señal Cualquier valor tiempo DIGITAL Señal Solo 2 valores tiempo

ELECTRÓNICA ANALÓGICA • SEMICONDUCTORES • COMPONENTES ELECTRONICOS • BLOQUES FUNCIONALES

SEMICONDUCTORES El átomo Bandas de energía El semiconductor La circulación de corriente Unión P-N

El átomo periferia núcleo Ne = nº electrones Np = nº protones • Carga del átomo • N e > N p • negativo • N e = N p • neutro • N e < N p • positivo • Última = órbita de valencia • Enlaces = f(órbita de valencia) • Distribución de electrones • Los electrones están distribuidos en órbitas de distinta energía • Para pasar de una a otra un electrón ha de absorber o liberar la siguiente energía: • E = hv h= constante de Plank v = frecuencia de radiación

• Cada órbita de electrones constituye una banda energética en la que pueden estar los electrones. • Entre las distintas órbitas hay bandas energéticas en las que no pueden estar los electrones. B. conducción Intervalo energético donde están aquellos electrones que pueden moverse libremente B. prohibida • Energía que ha de adquirir un electrón de la banda de valencia para poder moverse libremente por el material B. valencia Intervalo energético donde están los electrones de la última órbita B. conducción • B. prohibida B. valencia B. conducción B. valencia

El semiconductor I Ge Histórico CARACTERÍSTICAS Conductor o aislante • B. prohibida << • 4 de valencia • Enlaces covalentes Si Principal As. Ga Algunas aplicaciones específicas Otros Poco usados

El semiconductor II • Átomo de Si • Electrón de valencia • Enlace covalente

El semiconductor III + energía • Térmica • Luminosa • Eléctrica • Etc. • RUPTURA Electrón libre Energía Par electrón-hueco Hueco • Número electrones = • Numero de huecos

El semiconductor IV Tipo N Átomo con 5 • Arsénico electrones • Antimonio de valencia • Fósforo • Etc. Tipo P Átomo con 3 • Aluminio electrones • Boro de valencia Nº de portadores = Nº de impurezas • Galio • Etc.

V+ • La circulación tiene lugar en la banda de conducción = Los conductores V-

V+ • La circulación tiene lugar en la banda de valencia V-

V+ V+ V+ V- V- V-

N P minoritarios mayoritarios P N

N P MUCHOS N P N

P N Al juntarse un y un desaparecen ambos, apareciendo la zona despoblada N P Zona despoblada

P N • La barrera de potencial se opone al paso de y • EQUILIBRIO • Fuerza de la barrera de potencial • Fuerza de difusión • Impureza con 3 electrones • Impureza con 5 electrones

N P V Los mino ritari os NO • Paracircul que circulen an los portadores mayoritarios ha de ser V > la tensión de la Barrera de Potencial

N P D V Los mayorita rios NO circulan, SE REAGR UPAN. • Solo hay corriente de minoritarios • D = f(V)

El ancho de la zona despoblada se modifica con el valor de V N P C = d V *S d • C es la capacidad • es la constante dieléctrica • S es la superficie • d es la distancia

I P I N V V I = I 0*(exp(V/n*VT) -1) • VT = KT/q • I 0 = corriente inversa de saturación • q = carga del electrón: 1, 6*10 -19 culombios • K = constante de Boltzman: 1, 36*10 -23 J/ºK • T = Temperatura en grados Kelvin • n = constante empírica ( 1 -germanio; 2 -silicio)

COMPONENTES DIODOS • El diodo ideal • Diodos reales • El diodo de unión P-N • El diodo zener • El fotodiodo • El LED • El Optoacoplador TRANSISTORES • La función transistor • El transistor bipolar • Transistores de efecto de campo -JFET -MOSFET

I POLARIZACIÓN DIRECTA • R = 0 • Puede circular cualquier corriente V Símbolo POLARIZACIÓN INVERSA V 8 • R = • No hay corriente I

Diodo de vacío OTROS DIODOS • De Gas • De Selenio • De Óxido de cobre • De Puntas de contacto • De Unión P-N

Símbolo P I Curva real N V I V Aproximación I I VR = Tensión de ruptura VR V VC = 0, 7 en el Si

Aproximación I Símbolo VZ = Tensión de funcionamiento V VZ Zona de funcionamiento V I Izmáx • El diodo zener está diseñado para trabajar en la zona de ruptura, siempre que no se sobrepase su intensidad máxima. • Existen en el mercado diodos zener con diversas tensiones de funcionamiento.

Circuito típico de regulación con zener I Rs VZ V V VZ RL Izmáx • El zener impide que la tensión en la resistencia de carga RL supere el valor de su tensión nominal. • El zener no puede impedir que la tensión baje por debajo de su tensión nominal. • La regulación la consigue absorbiendo más o menos corriente, en función de las características del circuito. La diferencia de tensión entre la alimentación y la carga se va a RS

Símbolo Circuito típico con fotodiodo RL I V Luz V I Luz • En polarización directa se comporta como un diodo normal. • En polarización inversa sólo conduce cuando le incide luz. • Al incidir la luz se rompen muchos enlaces y por tanto se incrementa el número de minoritarios que son los responsables de la corriente inversa.

Light Emitting Diode RL Símbolo V Display de 7 segmentos I Circuito típico con LED

V RL RL I I • La ventaja fundamental de un optoacoplador es el aislamiento eléctrico entre el circuito de entrada y el de salida. • El único contacto que hay es un haz de luz. V

3 terminales salida entrada • Amplifica la señal de entrada • Se usa tanto en analógica como en digital • Actúa como un interruptor • Se usa en electrónica digital (ordenadores, etc)

Estructura E N P N NPN C PNP E Estructura P C C C Símbolo E P B B B N Símbolo B E • El transistor bipolar sustituyó con éxito a las válvulas de vacío. • Sus principales ventajas son: más pequeño, más barato, más fiable, menos consumo y mayor tiempo de vida. • Ha sido desplazado por los FET en la mayor parte de las aplicaciones de electrónica digital, pero sigue siendo competitivo en amplificación y en alta velocidad de conmutación.

E aislante N P B aislante N C aislante • Al estar polarizada directamente la unión B-E, el E inyecta electrones libres en la base. • Al llegar los electrones del E a la B son arrastrados, la mayoría, al C, debido a la polarización inversa de la unión C-B y a que la base es estrecha y está poco dopada. Solo unos pocos forman la corriente de B -E, mucho más pequeña que la de E-C. • En definitiva la polarización B-E, gobierna la corriente entre E-C. • La relación entre las corrientes de B y C determinan la ganancia del transistor. • Existen en el transistor otras corrientes menos importantes que no están reflejadas en este gráfico.

• Aplicando la 1ª ley de Kirchoff al transistor obtenemos: IE = I B + I C C IC IB • El transistor tiene un comportamiento no lineal. Existen varios modelos para describir la relación entre las tensiones y corrientes que circulan por él. El más usado es el de Everst-Mole: IC = ßIB + (1 + ß)IC 0 B • Normalmente IC 0 es despreciable con lo que la ecuación anterior se simplifica: IE E IC ßIB • Por otra parte como ß siempre es mayor de 10 se deduce que IB es despreciable frente a IC, por lo que: IE IC

Circuito típico de amplificación con un transistor CURVAS DE SALIDA VCC IC IB 1 IB 2 IB 3 IB 4 IB 5 IB 6 IB 7 VCE

• El transistor bipolar es un dispositivo no lineal. Pero cuando trabaja en pequeña señal su comportamiento es aproximadamente lineal. • Existen diversos circuitos que representan bien el comportamiento lineal del transistor, los cuales permiten resolver los circuitos con transistores mediante la Teoría de Circuitos. • Uno de los más usados es el modelo simplificado de parámetros H en emisor común, que se representa a continuación: C IC B IB C B IE E E

FET: Field Effect Transistor Canal n JFET Canal p FET Canal n acumulación Canal p MOSFET despoblamiento Canal n Canal p • El FET es un dispositivo controlado en V • Se denominan transistores unipolares porque tienen un solo portador de carga • Tienen una gran impedancia de entrada • Producen poco ruido • Ocupan poco espacio • Tienen problemas a altas frecuencias

D D Canal N Canal P D G G N P P P S S N N S S D • El JFET, al contrario que el bipolar, tiene la unión G-S polarizada en inverso. Esto determina que la corriente de entrada sea mucho más pequeña. Es tanto como decir que es un dispositivo con una gran impedancia de entrada. • El surtidor emite los portadores de carga y el drenador los recibe. • La polarización inversa de puerta permite hacer el canal más ancho o más estrecho. G S

Acumulación conductor S G D aislante D Canal N N G N S P D Canal P G S • En el Mosfet de acumulación no existe inicialmente canal. Este se crea mediante la polarización de puerta surtidor. En el de canal N esta polarización es positiva y en el de canal P es negativa.

Despoblamiento conductor S G D aislante D Canal N N G N S P D Canal P G S • En el Mosfet de despoblamiento existe canal inicial. Esto permite dos tipos de polarización en puerta (+ y - ). Con polarización positiva se incrementa el canal. Con polarización negativa se disminuye.

• Rectificadores • Filtros • Amplificadores • Realimentación • Operacional • Generadores de señal

Circuitos electrónicos ¿Por qué? C. C. A. Es preciso convertir C. A. /C. C. Alimentación de red Circuitos electrónicos ¿Cómo? V 125/220 V V t Red Transformador t Rectificador V t Filtro variación V variación t t Regulador

Circuitos electrónicos Rectificador Media Onda v v t v Onda Completa t Poco interés práctico t v Son los que se usan en la práctica t

Circuitos electrónicos Rectificador de media onda V 125/220 V V t t t 125/220 + - En el semiciclo positivo si hay corriente 125/220 + - En el semiciclo negativo no hay corriente

Circuitos electrónicos Rectificador de onda completa V 125/220 V V t 125/220 t t ~ + ~ - Puente de diodos El puente de diodos está constituido por cuatro diodos encapsulados juntos. El transformador deberá tener la relación de transformación adecuada a la tensión continua que se desee.

Circuitos electrónicos Filtros = Son circuitos electrónicos que permiten seleccionar, atenuar o eliminar señales de una determinada frecuencia. Esto se consigue usando componentes cuya respuesta sea función de la frecuencia 1 ZC= jw. C ZL=jw. L Ejemplos

Circuitos electrónicos Tipos Básicos de Filtros 1 R Filtro Paso Bajo f. C 1 t R 1 f. C t R Filtro Paso Alto f. C 1 t R 1 R Filtro Paso Banda f. C 1 f. C 2 t

Circuitos electrónicos CUESTIÓN PREVIA Se R SS = Se * R Cuando una señal pasa por un circuito, la señal de salida se obtiene multiplicando la señal de entrada por la función de transferencia o respuesta del circuito.

Circuitos electrónicos ¿Cómo actúa un filtro? S a ( f < f. C ) 1 R Paso Bajo Sa ( f < f. C )* 1 = Sa ( f < f. C ) Sb ( f > f. C )* 0 = 0 S b ( f > f. C ) f. C S a ( f < f. C ) 1 t Paso Alto R Sa ( f < f. C )* 0 = 0 Sb ( f > f. C )* 1 = Sb ( f > f. C ) S b ( f > f. C ) f. C Sa ( f < f. C 1 ) Sb (f. C 1 < f. C 2 ) Sc ( f > f. C 2 ) 1 R t Sa ( f < f. C 1 )* 0 = 0 Paso Banda Sb (f. C 1 < f. C 2 )* 1 = Sb (f. C 1 < f. C 2 ) f. C 1 f. C 2 t Sc ( f > f. C 2 ) )* 0 = 0

Circuitos electrónicos Descomposición de señales Fourier Series = Transformada V V t t Cualquier señal se puede descomponer en la suma de una señal continua y un conjunto de señales senoidales

Circuitos electrónicos Ejemplo de descomposición de una señal periódica V t = + V t

Circuitos electrónicos Filtros + Descomposición de Señales Extraer una señal de una determinada frecuencia. V t Señal Teórica V t F. Paso-bajo Rectificador Señal Real V t

Circuitos electrónicos Filtros + Descomposición de Señales Modificar las características de una señal. Filtro Paso-Alto V t Filtro Paso-Bajo V t

Circuitos electrónicos Esquema Básico Señal de Entrada VóI Se A SS GANANCIA A GV Ganancia en tensión GI Ganancia en intensidad Señal de Salida VóI S S= A · S e

Circuitos electrónicos Esquema Básico Otros Parámetros Importantes Ze A ZS Ze - Impedancia de entrada Zs - Impedancia de salida Los amplificadores son circuitos básicos en la transmisión de señales electrónicas, pues permiten elevar el nivel de las mismas, bien para transmitirlas o bien para recuperar señales con unos niveles muy bajos de tensión.

Circuitos electrónicos Cadena de Amplificación Transductor de entrada A 1 A 2 Transductor de salida Pueden colocarse tantos amplificadores como sea necesario Aunque la señal que manejan los amplificadores es electrónica, las señales inicial y final pueden ser cualquier tipo de señal física (presión, temperatura, humedad, óptica, etc. ). Los transductores se encargan de hacer las correspondientes conversiones. Esto permite usar la electrónica en el procesamiento de cualquier magnitud física.

Circuitos electrónicos Adaptación de impedancias Transductor de entrada A 1 A 2 Zs 1 Ze 2 Zs 1 = Ze 2 Transductor de salida

Circuitos electrónicos Concepto Consiste en combinar una muestra de la señal de salida de un proceso con la entrada, para modificar las características del proceso en la forma deseada

Circuitos electrónicos Ejemplo de Sistema Realimentado 3º piso Mando a distancia GRUA Posición de la carretilla La señal de salida viene dada por la posición de la carretilla. La señal de entrada está determinada por el piso al que se desea subir la carretilla. El operario, con su vista, compara ambas señales y si no coinciden, actúa sobre el mando a distancia hasta hacerlas coincidir.

Circuitos electrónicos Circuito Básico MEZCLADOR DE SEÑALES AMPLIFICADOR A + - B RED DE REALIMENTACIÓN

Circuitos electrónicos Análisis Ss = Se’ · A Se’ = Se - B * Ss Se A + Ss Ss = (Se - B·Ss) ·A - B = B * Ss Ss A = Se 1 + A · B Característica de transferencia del sistema Ar

Circuitos electrónicos Tipos de Realimentación NEGATIVA Ar < A

Circuitos electrónicos Tipos de Realimentación POSITIVA Ar > A Esta Realimentación favorece los cambios bruscos El sistema es muy inestable Interesa cuando se desean obtener transiciones muy bruscas de una señal, como por ejemplo al generar una V onda cuadrada: t

Circuitos electrónicos Tipos de Realimentación OSCILADORES Ar = A El sistema puede proporcionar una señal de salida sin tener señal de entrada Interesa esta realimentación para los generadores de señal. Se usa en los osciladores. Ss = Se Ss = 0 Ss =

Circuitos electrónicos Amplificador Operacional V 1 V 2 Ref +Vcc V 0 + -Vcc +Vcc V 1 -V 2 -Vcc

Circuitos electrónicos Usos del Amplificador Operacional R 2 R 1 Ve - i 1 Ve i 2 + - Ve= -R 1·i 1 Vs= -R 2·i 2 Vs R 2 i 1=i 2 Vs -R 2 = Ve R 1 Vs +Vcc + Vs -Vcc Ve

Circuitos electrónicos Tipos de Generadores Señal de entrada Oscilador V t Señal de salida senoidal

Circuitos electrónicos Multivibradores Aestable V t El circuito bascula solo del nivel bajo al alto, y viceversa. Pueden regularse los tiempos en ambos estados. No tiene ningún estado estable.

Circuitos electrónicos Multivibradores Monoestable V t Señales de Cambio El circuito sólo cambia de un estado al otro. Para salir del segundo estado precisa una señal externa. Tiene un solo estado estable.

Circuitos electrónicos Multivibradores Biestable V t Señales de Cambio Para salir de cualquiera de los dos estados precisa una señal externa. Tiene dos estables.