scd1018 - 1.3 dispositivos activos - semiconductores, diodos, transistores, tiristores
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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
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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
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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.
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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
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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
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1.2, 1.3 - 6 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales
p n
p n
p n
Sin polarización
Polarización inversa
Polarización directa
Polarización
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1.2, 1.3 - 7 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales
VD
ID
Is
VT
Curva característica
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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
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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
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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 )
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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1.2, 1.3 - 18 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales
Rectificador de onda completa
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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
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1.2, 1.3 - 20 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales
Sujetador (cambiador de nivel)
IT M
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1.2, 1.3 - 21 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales
Regulador de voltaje con diodo zener
IT M
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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)
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1.2, 1.3 - 23 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales
1.3.2.2 Transistores
IT M
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1.2, 1.3 - 24 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales
IT M
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1.2, 1.3 - 25 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales
Transistores
IT M
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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)
IT M
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1.2, 1.3 - 27 Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales
p
r
E
p n
V V0
r
E
Unión no polarizada
IT M
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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)
IT M
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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)
IT M
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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
IT M
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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
IT M
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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.
IT M
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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
IT M
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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
IT M
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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
IT M
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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
IT M
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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
IT M
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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
IT M
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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
IT M
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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
IT M
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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
IT M
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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
IT M
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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
IT M
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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
IT M
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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
IT M
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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
IT M
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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.