Tema 2: Semiconductores ELECTRÓNICA I Tema 2: Semiconductores El diodo Docente : Franco Rivero Nolasco

ATOMO FUERZA

ESTRUCTURA CRISTALINA Docente : Franco Rivero Nolasco

¿Para que sirve un trozo de material que es un mal conductor? Comentarios sobre conductores, aislantes y semiconductores Al disminuir la Temperatura es mas conductor Cobre Conductor Diamante Aislante Al disminuir la Temperatura es menos conductor Silicio Semiconductor ¿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

E Introducción a la física de estado sólido: semiconductores Si Si Si: silicio Grupo IV de la tabla periódica E Docente : Franco Rivero Nolasco

E Introducción a la física de estado sólido: semiconductores Enlace covalente Si Si + Si Electrón Hueco E Docente : Franco Rivero Nolasco

Los Átomos de una sustancia se encuentran en constantes oscilaciones desordenadas denominadas “Movimentermico” que crece con la Temp.

Semiconductor Intrinseco

+ - Semiconductor intrínseco : acción de un campo eléctrico 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 Si Sb: antimonio Impurezas del grupo V de la tabla periódica Si Si Sb + 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

80ºC Introducción a la física de estado sólido: semiconductores Semiconductor extrínseco : TIPO N Sb + Impurezas grupo V 80ºC Electrones libres 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 Si Al: aluminio Impurezas del grupo III de la tabla periódica Si Si Si Si Al + - Es necesaria muy poca energía para ionizar el átomo de Al Si A temperatura ambiente todos los átomos de impurezas se encuentran ionizados Docente : Franco Rivero Nolasco

80ºC Introducción a la física de estado sólido: semiconductores Semiconductor extrínseco : TIPO P - Al Impurezas grupo III 80ºC Huecos libres 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 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.

N P La unión P-N La unión P-N polarizada inversamente + + + + - + + - - + - + - + + - + - - - + - + - + + + - - + La zona de transición se hace más grande. Con polarización inversa no hay circulación de corriente.

N P La unión P-N La unión P-N polarizada en directa + - - - + + + - - + + - + - + - + + - + - - - + - + + + + - - - + La zona de transición se hace más pequeña. La corriente comienza a circular a partir de un cierto umbral de tensión directa.

N P La unión P-N La unión P-N polarizada en directa + + - + + - - - + + + - + - + + - + - - - + - + - + + + - - + Concentración de huecos Concentración de electrones La recombinación electrón-hueco hace que la concentración de electrones en la zona P disminuya al alejarse de la unión.

P N 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 + - V I Abierto (R = ∞) + - V I Corto (R = 0) + - I V Resistencia (R) + - V I Batería I + - V Fuente Corriente

Si Ge i [mA] V [Volt.] DIODO REAL p n ánodo cátodo A K Símbolo Silicio 1 0.25 -0.25 i [mA] 0.5 Ge Si p n ánodo cátodo A K Símbolo Silicio Germanio IS = Corriente Saturación Inversa K = Cte. Boltzman VD = Tensión diodo q = carga del electrón T = temperatura (ºK) ID = Corriente diodo

Si Ge Ge Si Si Ge DIODO REAL (Distintas escalas) i [mA] i [mA] Ge: mejor en conducción Si: mejor en bloqueo i [mA] 1 -4 30 i [mA] V [Volt.] Ge Si 1 Ge Si V [Volt.] -0.25 0.25 0.5 -0.8 -0.5 i [A] V [Volt.] -10 i [pA] Ge Si

DIODO: DISTINTAS APROXIMACIONES V Ideal I V Solo tensión de codo Ge = 0.3 Si = 0.6 I V I V Curva real (simuladores, análisis gráfico) Tensión de codo y Resistencia directa

Límite térmico, sección del conductor I Tensión inversa máxima Docente : Franco Rivero Nolasco DIODO: LIMITACIONES Corriente máxima Límite térmico, sección del conductor I Tensión inversa máxima Ruptura de la Unión por avalancha V 600 V/6000 A 1000 V /1 A 200 V /60 A

DIODO: Parámetros facilitados por fabricantes Vd id iS VR IOmax VR = 1000V Tensión inversa máxima IOMAX (AV)= 1A Corriente directa máxima VF = 1V Caída de Tensión directa IR = 50 nA Corriente inversa 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. VR = 100V Tensión inversa máxima IOMAX (AV)= 150mA Corriente directa máxima VF = 1V Caída de Tensión directa IR = 25 nA Corriente inversa

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. Docente : Franco Rivero Nolasco

* 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