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ELECTRÓNICA I
Tema 2: Semiconductores
El diodo
Docente : Franco Rivero Nolasco
ESTRUCTURA CRISTALINA
Docente : Franco Rivero Nolasco
Comentarios sobre conductores, aislantes y semiconductores
Cobre Conductor
Al disminuir la Temperatura
es mas conductor
Diamante Aislante
Silicio Semiconductor
Al disminuir la
Temperatura es
menos conductor
¿Para que sirve un trozo de material que es un mal
conductor?
Docente : Franco Rivero Nolasco
Los semiconductores mas empleados para la fabricación de circuitos integrados son
El Silicio y Germanio, además requieren que se les añada átomos adicionales
De Boro, Indio, Fósforo y Antimonio. Estos átomos se unen entre si formando una red
cristalina
Si 14
Ge 32
RED DIAMANTE DEL
GRUPO IV
Docente : Franco Rivero Nolasco
Introducción a la física de estado sólido: semiconductores
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si: silicio
Grupo IV de la
tabla periódica
Si
Si
Si
E
Docente : Franco Rivero Nolasco
Introducción a la física de estado sólido: semiconductores
Enlace covalente
Si
Si
Si
Si
Si
+
Si
Electrón
Hueco
Si
Si
Si
E
Docente : Franco Rivero Nolasco
Los Átomos de una sustancia se encuentran en constantes oscilaciones
desordenadas denominadas “Movimentermico” que crece con la Temp.
Semiconductor intrínseco: acción de un campo eléctrico
-
+
Si
-
+
Si
Si
+
+
Si
+
Si
Si
-
+
-
+
-
Si
Si
Si
+
Introducción a la física de estado sólido: semiconductores
Semiconductor intrínseco: acción de un campo eléctrico
Conclusiones:
La corriente en un semiconductor es debida a dos tipos de
portadores de carga: HUECOS y ELECTRONES
La temperatura afecta fuertemente a las propiedades
eléctricas de los semiconductores:
mayor temperatura  más portadores de carga  menor resistencia
Introducción a la física de estado sólido: semiconductores
Semiconductor extrínseco: TIPO N
Sb: antimonio
Si
Si
Si
Si
Sb
Si
Si
+
Si
Si
Si
Impurezas del
grupo V de la
tabla periódica
Es necesaria muy
poca energía para
ionizar el átomo
de Sb
A temperatura ambiente todos los átomos de impurezas se encuentran ionizados
Docente : Franco Rivero Nolasco
Introducción a la física de estado sólido: semiconductores
Semiconductor extrínseco: TIPO N
Sb
+
Sb
+
Sb
+
Sb
+
Electrones libres
Sb
+
Impurezas grupo V
Sb
+
Sb
+
Sb
+
Sb
+
Sb
+
Sb
+
Sb
+
Sb
+
Sb
+
Sb
+
Sb
+
80ºC
Átomos de impurezas ionizados
Los portadores mayoritarios de carga en un semiconductor tipo N son
electrones libres
Docente : Franco Rivero Nolasco
Introducción a la física de estado sólido: semiconductores
Semiconductor extrínseco: TIPO P
Al: aluminio
Si
Si
Si
Si
Al
Si
Si
-
+
Si
Si
Si
Impurezas del
grupo III de la
tabla periódica
Es necesaria muy
poca energía para
ionizar el átomo
de Al
A temperatura ambiente todos los átomos de impurezas se encuentran ionizados
Docente : Franco Rivero Nolasco
Introducción a la física de estado sólido: semiconductores
Semiconductor extrínseco: TIPO P
Al
-
Al
-
Al
-
Huecos libres
Al
-
Al
-
Impurezas grupo III
Al
-
Al
Al
-
Al
-
Al
-
Al
-
Al
-
Al
Al
-
Al
-
Al
-
80ºC
Átomos de impurezas ionizados
Los portadores mayoritarios de carga en un semiconductor tipo P son
Huecos. Actúan como portadores de carga positiva.
La unión P-N
La unión P-N en equilibrio
-
-
-
-
-
-
-
-
Semiconductor tipo P
+
+
+
+
+
-
+
+
+
-
+
+
-
-
+
+
+
+
+
Semiconductor tipo N
+
La unión P-N
La unión P-N en equilibrio
Barrera de Potencial
-
-
-
-
-
-
-
Semiconductor tipo P
+
-
-
+
+
+
+
-
+
+
+
-
+
+
-
-
+
+
+
+
+
+
Semiconductor tipo N
+
Al unir un semiconductor tipo P con uno de tipo N aparece una zona de
carga espacial denominada ‘barrera de potencial’. Que actúa como una
barrera para el paso de los portadores mayoritarios de cada zona.
La unión P-N
La unión P-N polarizada inversamente
P
-
-
-
-
-
-
-
+
-
+
+
+
+
-
+
+
+
-
+
N
+
+
-
-
+
+
+
+
+
+
La zona de transición se hace más grande. Con polarización inversa no hay
circulación de corriente.
La unión P-N
La unión P-N polarizada en directa
P
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
-
-
-
+
+
+
+
+
-
+
N
+
+
-
-
+
+
+
+
+
+
La zona de transición se hace más pequeña. La corriente comienza a
circular a partir de un cierto umbral de tensión directa.
La unión P-N
La unión P-N polarizada en directa
P
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
-
-
-
Concentración de huecos
+
+
+
+
+
-
+
N
+
+
-
-
+
+
+
+
+
Concentración de electrones
+
La recombinación electrón-hueco hace que la concentración de electrones
en la zona P disminuya al alejarse de la unión.
La unión P-N
Conclusiones:
Aplicando tensión inversa no hay conducción de corriente
Al aplicar tensión directa en la unión es posible la circulación
de corriente eléctrica
P
N
DIODO SEMICONDUCTOR
INCISO: Representación del componentes eléctricos en diagrama V-I
I
V
I
I
+
V
I
+
V
V
Corto
(R = 0)
Abierto
(R = ∞)
I
V
I
V
V
Batería
V
Resistencia
(R)
I
+
-
I
+
-
V
-
I
I
+
V
-
Fuente
Corriente
DIODO REAL
ánodo
p
i [mA]
cátodo
1
Ge
n
A
K
Símbolo
Si
V [Volt.]
-0.25
0
0.25
0.5
Silicio
Germanio
 VKDTq 
I D  I S   e
 1


IS = Corriente Saturación Inversa
K = Cte. Boltzman
VD = Tensión diodo
q = carga del electrón
T = temperatura (ºK)
ID = Corriente diodo
DIODO REAL (Distintas escalas)
Ge: mejor en conducción
Si: mejor en bloqueo
i [mA]
i [mA]
30
1
Ge
Si
Si
Ge
V [Volt.]
-0.25
0
0.25
V [Volt.]
0
-4
0.5
i [A]
i [pA]
V [Volt.]
0
-0.5
Ge
V [Volt.]
0
-0.5
Si
-0.8
-10
1
DIODO: DISTINTAS APROXIMACIONES
I
I
Solo tensión
de codo
Ge = 0.3
Si = 0.6
Ideal
V
I
V
I
Tensión de codo y
Resistencia directa
V
Curva real
(simuladores,
análisis gráfico)
V
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DIODO: LIMITACIONES
Corriente máxima
I
Tensión inversa
máxima
Límite térmico,
sección del conductor
Ruptura de la Unión
por avalancha
V
600 V/6000 A
200 V /60 A
1000 V /1 A
DIODO: Parámetros facilitados por fabricantes
id
IOmax
VR =
IOMAX (AV)=
VF =
IR =
VR =
IOMAX (AV)=
VF =
IR =
1000V
1A
1V
50 nA
100V
150mA
1V
25 nA
Tensión inversa máxima
Corriente directa máxima
Caída de Tensión directa
Corriente inversa
Tensión inversa máxima
Corriente directa máxima
Caída de Tensión directa
Corriente inversa
VR
iS
Vd
NOTA:
Se sugiere con un buscador obtener las
hojas de características de un diodo (p.e.
1N4007). Normalmente aparecerán varios
fabricantes para el mismo componente.
Hoja de características de un diodo
Tensión inversa de ruptura
Corriente máxima con polarización directa
Caída de tensión con polarización directa
Corriente inversa máxima
* Corriente máxima con polarización directa
* Tensión inversa de ruptura
Estos tres valores especifican la ruptura en ciertas condiciones de funcionamiento.
Lo importante es saber que la tensión de ruptura para el diodo es de 50 V,
Docente : Franco Rivero Nolasco
* Corriente máxima con polarización directa
Indica que el 1N4001 puede soportar hasta 1 A con polarización directa cuando
se le emplea como rectificador. Esto es, 1 A es el nivel de corriente con
polarización directa para el cual el diodo se quema debido a una disipación
excesiva de potencia. Un diseño fiable, con factor de seguridad 1, debe
garantizar que la corriente con polarización directa sea menor de 0,5 A en
cualquier condición de funcionamiento.
Los estudios de las averías de los dispositivos muestran que la vida de éstos
es tanto más corta cuanto más cerca trabajen de las limitaciones máximas. Por
esta razón, algunos diseñadores emplean factores de seguridad hasta de 10:1,
para 1N4001 será de 0,1 A o menos.
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* Caída de tensión con polarización directa
Estos valores están medidos en alterna, y por ello aparece la palabra instantáneo
en la especificación. El 1N4001 tiene una caída de tensión típica con polarización
directa de 0,93 V cuando la corriente es de 1 A y la temperatura de la unión es de 25
ºC.
* Corriente inversa máxima
En esta tabla esta la corriente con polarización inversa a la tensión
continua indicada (50 V para un 1N4001).
Comprobación y detección de averías
En el uso del óhmetro para probar diodos lo único que se desea saber es se el
diodo tiene una resistencia pequeña con polarización directa y grande con
polarización inversa. Los problemas que pueden surgir son:
Resistencia muy pequeña en ambas direcciones: diodo en
cortocircuito.
Resistencia muy grande en ambas direcciones: diodo en circuito
abierto.
Resistencia pequeña en inversa: diodo con fugas.
Cómo calcular la resistencia interna rB
Donde V2 es VF y V1 es VD
Docente : Franco Rivero Nolasco