sesión 2
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Sesión 2
Ing. María Elena Pareja V.
Diodo Semiconductor
ELECTRONICA
ANALÓGICA DIGITAL
tiempo
Señal
tiempo
SeñalSolo
2 valores
Cualquier
valor
Ing. M.E Pareja. 2
ELECTRÓNICA ANALÓGICA
• SEMICONDUCTORES
• COMPONENTES ELECTRONICOS
• BLOQUES FUNCIONALES
Ing. M.E Pareja. 3
SEMICONDUCTORES
Unión P-N
El átomo
Bandas de energía
El semiconductor
La circulación de corriente
Ing. M.E Pareja. 4
El átomo
Atomo, es la unidad más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o sus propiedades, y que no es posible dividir mediante procesos químicos.
A la combinación de dos o más átomos iguales o
diferentes se le denomina: molécula.
En el núcleo se encuentran los protones y neutrones. En la
corteza se encuentran los electrones, recorriendo trayectorias
circulares o elípticas (órbitas).
Todo átomo tiene un número de protones igual al número de
electrones.
Los electrones de la última orbita forman los electrones de
valencia.
Ing. M.E Pareja. 5
El átomo
Np = nºprotones
núcleoNe=nº electrones
periferia
•Última = órbita de valencia
•Enlaces = f(órbita de valencia)
•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
•Ne > Np
•Ne = Np
•Ne < Np •positivo
•neutro
•negativo
•Carga del átomo
•Distribución de electrones
Ing. M.E Pareja. 6
La diferencia entre uno y otro elemento radica, básicamente, en la
cantidad de protones y electrones que tenga el átomo en el núcleo y en
las órbitas, respectivamente.
Hidrógeno Carbono Cobre
1 protón 6 protones 29 protones
1 electrón 6 electrones 29 electrones
EL ÁTOMOEl átomo
Ing. M.E Pareja. 7
El átomo
Ing. M.E Pareja. 8
ESTRUCTURA ATÓMICA
El núcleo positivo atrae a los electrones orbitales, pero
estos no caen al núcleo debido a la fuerza centrifuga
(hacia fuera) creada por su movimiento orbital y el
electrón está en equilibrio.
El átomo
Ing. M.E Pareja. 9
• Hay orbitas:
• 1º K 2 electrones
• 2º L 8 electrones
• 3º M 18 electrones
• 4º N 32 electrones
• Sodio: 11 protones, 3 orbitas (fig).
El átomo
• Los electrones de la ultima capa perciben menos fuerza de atracción, se les llama iones (+)(-).
• Los átomos son “Estables” si tienen en su última capa al menos 8 electrones.
• Son átomos “Inestables” cuando no tienen llena su orbita periférica ni tampoco 8 electrones, pueden convertirse en estables, desprendiendo los electrones de valencia, o absorbiendo del exterior electrones libres hasta completar su ultima capa.
Ing. M.E Pareja. 10
El átomo
Ing. M.E Pareja. 11
Conductores, ofrecen una baja resistencia al paso de la corriente eléctrica.
Semiconductores, en unos casos permiten la circulación de la corriente eléctrica y en otros no.
Aislantes, ofrecen una alta resistencia al paso de la corriente eléctrica.
A) Conductor de alambre de cobre. B) Diodos y C) transistor (dispositivos semiconductores en ambos casos). D) Aislantes de porcelana instalados en un transformador distribuidor de energía eléctrica de bajo voltaje y E) Aislantes de vidrio soportando cables a la intemperie montados en un poste para distribución de energía eléctrica de media tensión.
Conductores, Semiconductores y Aislantes
Ing. M.E Pareja. 12
• Los conductores permiten fácilmente el paso de electrones. El átomo de Cobre que posee 29 electrones y 29 protones.
• Dispone en su 4º orbita solo 1 electrón por lo tanto es inestable, y tendrá una gran tendencia a despreciarse del electrón de la ultima orbita.
• Al aplicar una diferencia de potencial a un conductor de Cobre, el terminal positivo atrae fácilmente electrones de los átomos de Cu cercanos, que están deseando soltarlos para hacerse estables, mientras que estos mismos átomos al quedar cargados positivamente, absorben electrones de los átomos conectados al terminal negativo, habiendo perdido su electrón periférico, lo recuperan de dicho terminal, que se los proporciona.
Conductores
Ing. M.E Pareja. 13
• El átomo 1 desprende su electrón periférico por el borde positivo de la pila (batería), al mismo tiempo dicho átomo queda cargado positivamente y absorbe el electrón del periférico del átomo 2, este lo absorbe al 3 y este del 4, y este ultimo recibe el electrón del periférico que habiéndose salido del átomo 1, la pila traslada hasta el borne negativo.
• La inestabilidad de los átomos de Cu, de desprender sus electrones periféricos, intercambiándoselos, constituye su buena conductibilidad.
Conductores, Semiconductores y Aislantes
Ing. M.E Pareja. 14
• La ultima capa de los niveles de energía se llama “Banda de valencia” donde puede ceder, atraer, o captar electrones, que serán conductores, aislantes o semiconductores.
• Los Metales tienen en la última órbita o “banda de valencia” entre uno y tres electrones como máximo, por lo que su tendencia es cederlos cuando le aplicamos un potencial por métodos físicos o químicos. Las respectivas valencias de trabajo (o números de valencia) de los metales son las siguientes: +1, +2 y +3.
Bandas de Valencia
Normalmente las bandas de energías se componen de: 1) una banda de valencia. 2) una
banda de conducción y, 3) otra banda interpuesta entre las dos anteriores denominada
“banda prohibida”. La función de esta última es impedir o dificultar que los electrones
salten desde la banda de valencia hasta la banda de conducción
Debido a que en los metales conductores de corriente eléctrica la banda de valencia o
última órbita del átomo posee entre uno y tres electrones solamente (de acuerdo con el
tipo de metal de que se trate), existe una gran cantidad de estados energéticos “vacíos”
que permiten excitar los electrones, bien sea por medio de una reacción química, o una
reacción física como la aplicación de calor o la aplicación de una diferencia de potencial
(corriente eléctrica) que ponga en movimiento el flujo electrónico.
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• Los aislantes o dieléctricos como el aire, la porcelana, el cristal, la mica, la ebonita, las resinas sintéticas, los plásticos, etc., ofrecen una alta resistencia al paso de le corriente eléctrica.
• Los de los elementos aislantes poseen entre cinco y siete electrones fuertemente ligados a su última órbita, lo que les impide cederlos. Esa característica los convierte en malos conductores de la electricidad.
• En los materiales aislantes, la banda de conducción se encuentra prácticamente vacía de portadores de cargas eléctricas o electrones, mientras que la banda de valencia está completamente llena de estos.
Aislantes
Ing. M.E Pareja. 16
•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
B. prohibida
B. valencia Intervalo energético donde están los electrones de
la última órbita
•Energía que ha de adquirir un electrón de la banda
de valencia para poder moverse libremente por el
material
Intervalo energético donde están aquellos electrones
que pueden moverse libremente
B. conducción
•B. prohibida
B. valencia
B. conducción
B. valencia
B. conducción
•B. prohibida
B. valenciaIng. M.E Pareja. 17
• B. prohibida <<
• 4 de valencia
• Enlaces covalentes
Conductor o
aislante
CARACTERÍSTICAS
Ge Si AsGa
Otros
Histórico Principal Algunas
aplicaciones
específicas
Poco usados
Semiconductores
Los materiales semiconductores, según su pureza, se clasifican:
•Semiconductores Intrínsecos
•Semiconductores Extrínsecos.Ing. M.E Pareja. 18
• Es Intrínseco” cuando se encuentra en estado puro, o sea, que no contiene ninguna impureza, ni átomos de otro tipo dentro de su estructura. Son los elementos como el Silicio y el Germanio.
• La característica fundamental de los cuerpos semiconductores es la de poseer 4 electrones en su orbita de valencia. Lo cual lo hace inestable.
Semiconductores Intrínsecos
• “Le cuesta lo mismo desprender los 4 electrones periféricos y quedarse sin una orbita, que absorber otros 4 electrones para hacerse estable al tener la orbita de valencia con 8 electrones”
Ing. M.E Pareja. 19
• El átomo se Silicio se hace estable compartiendo sus electrones “enlace covalente” (fig)
Semiconductores Intrínsecos
• A -273⁰C o sea 0⁰Kelvin, la formación de los enlaces covalentes es perfecta y la estructura es completamente estable., comportándose como un elemento aislante.
• Pero a medida que se eleva la temperatura aumenta la agitación térmica rompiéndose el enlace covalente.
• La salida de un electrón del enlace deja en este un “hueco” al que se tratara como carga positiva.
Ing. M.E Pareja. 20
•Átomo de Si
•Electrón de valencia
•Enlace covalente
Semiconductores Intrínsecos
Ing. M.E Pareja. 21
• A temperatura de 17 ⁰C el germanio tiene una concentración aprox. De 1013 huecos o electrones libres por cm3. y el Silicio solo 1010 por tener menos orbitas.
Semiconductores Intrínsecos
Ing. M.E Pareja. 22
+ energía
•Térmica
•Luminosa
•Eléctrica
•Etc.
•Número electrones
=•Numero de huecosElectrón
libreHueco
Par
electrón-
hueco
•RUPTURA
Energía
Semiconductores Intrínsecos
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• Los semiconductores Intrínsecos dan paso a una corriente de electrones débil que no es útil.
• Para la fabricación de los diferentes tipos de semiconductores se utilizan los extrínsecos que son los mismos intrínsecos a los
cuales se les ha añadido “Impurezas”• Generalmente los átomos de las “impurezas” son los que
poseer tres electrones en su última órbita [como el galio (Ga) o el indio (In)], o que poseen cinco electrones también en su última órbita [como el antimonio (Sb) o el arsénico (As)]. Una vez dopados, el silicio o el germanio se convierten en semiconductores “extrínsecos” y serán capaces de conducir la corriente eléctrica.
Semiconductores Extrínsecos
Ing. M.E Pareja. 24
• El átomo de Sb después de cumplir con los 4 enlaces covalentes le sobra un electrón que tiende a salirse de su orbita para que el átomo quede estable. Por cada átomo de impurezas añadido aparece un electrón libre en la estructura.
Semiconductores Extrínsecos de tipo N
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• Este tipo de semiconductor se forma añadiendo impurezas trivalentes (B,Al,Ga, In) al semiconductor intrínseco.
• Quedan 3 enlaces covalentes entre 4 átomos de Si ó Ge, dejando un hueco.
• Como en este semiconductor hay mayor numero de cargas positivas, se les llama “portadores Mayoritarios” a los huecos, y “Portadores minoritarios ” a los electrones.
Semiconductores Extrínsecos de tipo P
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•Arsénico
•Antimonio
•Fósforo
•Etc.
Átomo con
5
electrones
de valencia
•Aluminio
•Boro
•Galio
•Etc.
Átomo con
3
electrones
de valencia
Tipo N Tipo P
Nº de portadores = Nº de impurezasIng. M.E Pareja. 27
•La circulación
tiene lugar en la
banda de
conducción
=
Los conductores
V+
V-Ing. M.E Pareja. 28
•La circulación
tiene lugar en la
banda de valencia
V+
V-Ing. M.E Pareja. 29
V+ V+V+
V- V- V-
Ing. M.E Pareja. 30
• Al colocar una parte del semiconductor tipo P unido a otra parte de tipo N, debido a la ley de difusión los electrones de la zona N tienden a dirigirse a la zona P, sucediendo lo contrario con los hueco que tratan de dirigirse de la zona P a la N.
Unión del Semiconductor P con el N
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P N
P N
mayoritarios
minoritarios
Ing. M.E Pareja. 32
MUCHOS
P N P N
MUCHOS
P NP N
Un semiconductor sometido a una campo eléctrico,
se producen dos corrientes de desplazamiento, la de
electrones en la banda de conducción y la de huecos en
la banda de valencia.
A éstas hay que añadir la difusión, que es el proceso
mediante el cual las propiedades de un sólido se
reparten a lo largo de su volumen hasta hacerse
uniformes en todo él.
Ing. M.E Pareja. 33
Al juntarse un y un
desaparecen ambos,
apareciendo la zona despoblada
P N
P N
Zona
despo-
blada
Ing. M.E Pareja. 34
•Fuerza de la barrera de
potencial
•Fuerza de difusión
P N
La barrera de
potencial se
opone al
paso de
•Impureza
con 3
electrones
•Impureza
con 5
electrones
•EQUILIBRIO
Aparecen cargas fijas en una zona a ambos lados de la unión,
zona que se llama barrera interna de potencial, deplexión.
Cuando progresa el proceso de difusión, la zona de carga se
incrementando y se crea un campo eléctrico (E) que es una
diferencia de tensión entre las zonas p y n.
Esta diferencia de potencial (V0) es de 0,7 V en el caso del
silicio y 0,3 V si los cristales son de germanio.
Ing. M.E Pareja. 35
Diodo
Cátodo
Ánodo
Ánodo Cátodo
Los
minoritarios
NO circulan
P N
V
Para que circulen
los portadores
mayoritarios ha de
ser V > la tensión
de la Barrera de
Potencial
Diodo: Polarización Directa
Cuando el terminal negativo de la Fuente de corriente continua
esta conectado al material tipo N y el positivo al material tipo P.
Disminuye la barrera de potencial de la zona de carga espacial,
permitiendo el paso de la corriente de electrones a través de la
unión; es decir, el diodo polarizado directamente conduce la
electricidad.
Ing. M.E Pareja. 37
Diodo: Polarización directa
Los mayoritarios
NO circulan, SE
REAGRUPAN.
Solo hay corriente
de minoritarios, o
corriente de fugas.
•D = f(V)
P N
V
D
Diodo: Polarización Inversa
Si se invierte la polaridad, el diodo queda polarizado inversamente. El
terminal negativo de la batería atrae a los huecos y el terminal positivo a
los electrones.
Los huecos y electrones, se alejan de la unión por tanto la zona de
deplexión se ensancha
Ing. M.E Pareja. 39
Diodo: Polarización inversa
Diodo: Gráfica del diodo
Si se supera el
voltaje umbral o
de codo, y suele
tener un valor de
0,7 voltios para
el diodo de
germanio y de
0,3 voltios para
el de silicio el
diodo empezará
a conducir
PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS.
VM = Voltaje máximo.
Vr = Voltaje de ruptura.
IM = Corriente máxima
P
V
N
I
I
V
I = I0*(exp(V/n*VT) -1)
•VT = KT/q
•I0 = 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)
Diodo: Gráfica del diodo
Ing. M.E Pareja. 42
COMPONENTES
•El diodo ideal
•Diodos reales
•El diodo de unión P-N
•El diodo zener
•El fotodiodo
•El LED
•El Optoacoplador
•La función transistor
•El transistor bipolar•Transistores de efecto de campo
-JFET
-MOSFET
DIODOS TRANSISTORES
Ing. M.E Pareja. 43
I
V
I
V
Símbolo
POLARIZACIÓN DIRECTA
•R = 0
•Puede circular cualquier
corriente
POLARIZACIÓN INVERSA
•R =
•No hay corriente
8
Diodo Ideal
Resistencia 0 con polarización directa y resistencia infinita con
polarización inversa. Difícil que exista. Actuaria como un
interruptor.
Ing. M.E Pareja. 44
OTROS DIODOS
•De Gas
•De Selenio
•De Óxido de cobre
•De Puntas de contacto
•De Unión P-N
Diodo de vacío
Diodo Real
El diodo de vacío es el primer procedente de la valvula electrica , que
al colocar dentro de una bombilla incandescente un electrodo algo
alejado del filamento se establecía una corriente entre el filamento y ese
electrodo.
Ing. M.E Pareja. 45
Las principales aplicaciones se encuentran las de estabilizador, aunque
también se pueden utilizar como limitadores, recortadores o protectores.
Es un diodo que trabaja normalmente polarizado inversamente, y que
tiene la característica de mantener entre sus terminales una d.d.p.
(diferencia de potencial) muy estable y propia de cada zener (voltaje de
zener).
Diodos especiales: Diodo ZENER
Diodos especiales: Diodo ZENER
Las principales aplicaciones se encuentran las de estabilizador, aunque
también se pueden utilizar como limitadores, recortadores o protectores.
Es un diodo que trabaja normalmente polarizado inversamente, y que
tiene la característica de mantener entre sus terminales una d.d.p. muy
estable y propia de cada zener (voltaje de zener).
V
I
VZ
VZ = Tensión de funcionamiento
Izmá
x
•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.
Diodos especiales: Diodo ZENER
•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
Ing. M.E Pareja. 48
•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.
Símbolo
Circuito típico
con fotodiodo
V
RL
I
Diodos especiales: Foto Diodo
I
V
LuzLuz
Ing. M.E Pareja. 49
Diodos especiales: Diodo LED
Se encierran en una cápsula que permita que la radiación luminosa en
forma de fotones salga al exterior.
La curva característica de un diodo L.E.D. es similar a la de cualquier
diodo, a diferencia de que el voltaje de codo es mucho mayor, del orden
de 1,5 a 2,5 V con corrientes entre 10 y 50 mA
Símbolo
Circuito típico
con LED
V
RL
I
Display de 7 segmentos
Light Emitting Diode
Diodos especiales: Foto Diodo
Ing. M.E Pareja. 51
Diodos
Condensadores
Corriente alterna Corriente
continua
Rectificador
Diodo: Aplicaciones
Ing. M.E Pareja. 52