ESCUELA PROFESIONAL DE FÍSICA APLICADA UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN 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 DIGITAL Cualquier valor Solo 2 valores tiempo Señal tiempo Señal

ELECTRÓNICA ANALÓGICA SEMICONDUCTORES COMPONENTES ELECTRONICOS BLOQUES FUNCIONALES

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

Distribución de electrones El átomo periferia Ne = nº electrones núcleo Np = nº protones Última = órbita de valencia Enlaces = f(órbita de valencia) Carga del átomo Ne > Np Ne = Np Ne < Np positivo neutro negativo 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

BANDAS DE ENERGÍA Aislante Semiconductor Conductor 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. Intervalo energético donde están aquellos electrones que pueden moverse libremente B. conducción Energía que ha de adquirir un electrón de la banda de valencia para poder moverse libremente por el material B. prohibida Intervalo energético donde están los electrones de la última órbita B. valencia Aislante Semiconductor Conductor B. conducción B. prohibida B. valencia B. conducción B. prohibida B. valencia B. conducción B. valencia

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

Estructura del Si en 2D El semiconductor II Átomo de Si Electrón de valencia Enlace covalente

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

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

Circulación de electrones libres V+ La circulación tiene lugar en la banda de conducción = Los conductores V-

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

Secuencia en la circulación de huecos V+ V+ V+ V- V- V-

Unión P-N Estructura P N minoritarios mayoritarios P N

Unión P-N Difusión P N P N MUCHOS MUCHOS P N P N

Al juntarse un y un desaparecen ambos, apareciendo la zona despoblada Unión P-N Recombinación P N Al juntarse un y un desaparecen ambos, apareciendo la zona despoblada P N Zona despo- blada

Unión P-N Barrera de potencial 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

Los minoritarios NO circulan Unión P-N Polarización DIRECTA Los minoritarios NO circulan P N Para que circulen los portadores mayoritarios ha de ser V > la tensión de la Barrera de Potencial V

Unión P-N Polarización INVERSA Solo hay corriente de minoritarios Los mayoritarios NO circulan, SE REAGRUPAN. P N Solo hay corriente de minoritarios D = f(V) D V

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

Unión P-N Característica V-I V V I = I0*(exp(V/n*VT) -1) I P N I 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)

COMPONENTES DIODOS TRANSISTORES 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

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

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

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

VZ = Tensión de funcionamiento El diodo zener V I VZ VZ = Tensión de funcionamiento Aproximación Izmáx Zona de funcionamiento I V Símbolo 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 Circuito con zener Circuito típico de regulación con zener I Rs VZ VZ RL V V 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

Circuito típico con fotodiodo Símbolo Circuito típico con fotodiodo V RL I I V 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.

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

Optoacoplador RL RL I I V V 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.

Función TRANSISTOR 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)

Transistor bipolar NPN PNP Estructura Estructura N P N P N P E E C C B Símbolo B Símbolo B E 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.

Transistor bipolar Funcionamiento E B N P N C Al estar polarizada directa-mente la unión B-E, el E inyecta electrones libres en la base. Al llegar los electrones del E a la B son arrastrados, la ma-yoría, al C, debido a la polari-zación 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 en-tre E-C. La relación entre las corrien-tes de B y C determinan la ga-nancia del transistor. Existen en el transistor otras corrientes menos importantes que no están reflejadas en este gráfico. Funcionamiento E B aislante aislante aislante N P N C

Relación de corrientes Transistor bipolar Relación de corrientes Aplicando la 1ª ley de Kirchoff al transistor obtenemos: IE = IB + IC 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)IC0 Normalmente IC0 es despreciable con lo que la ecuación anterior se simplifica: 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 E B C IC IB IE

Circuito típico de amplificación con un transistor Transistor bipolar Circuito típico de amplificación con un transistor CURVAS DE SALIDA IC VCE IB7 IB6 IB5 IB4 IB3 IB2 IB1 VCC

Transistor bipolar Modelo lineal E B C IC IB IE E B C 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: E B C IC IB IE E B C

Transistores de Efecto de Campo FET: Field Effect Transistor Canal n JFET Canal p FET Canal n acumulación Canal p MOSFET Canal n despoblamiento 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

JFET (Junction Field Effect Transistor) G D S N P D Canal N Canal P D D G G G P N N S 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

MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) Acumulación conductor aislante S G D D Canal N N N G S P D Canal P 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. G S

MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) Despoblamiento conductor aislante S G D D Canal N N N G S P D Canal P 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. G S

Rectificadores Filtros Amplificadores Realimentación Operacional BLOQUES FUNCIONALES Rectificadores Filtros Amplificadores Realimentación Operacional Generadores de señal

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

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

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

Rectificación IV + ~ - Circuitos electrónicos Rectificador de onda completa V 125/220 t V t V t 125/220 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.

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

Tipos Básicos de Filtros Circuitos electrónicos Filtros II Tipos Básicos de Filtros 1 t R fC Filtro Paso Bajo 1 t R fC Filtro Paso Alto 1 t R fC2 fC1 Filtro Paso Banda

Circuitos electrónicos Filtros III CUESTIÓN PREVIA R Se 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 Filtros IV ¿Cómo actúa un filtro? Paso Bajo 1 t R fC Sa ( f < fC ) Sa ( f < fC )* 1 = Sa ( f < fC ) Sb ( f > fC ) Sb ( f > fC )* 0 = 0 Paso Alto 1 t R fC Sa ( f < fC ) Sa ( f < fC )* 0 = 0 Sb ( f > fC ) Sb ( f > fC )* 1 = Sb ( f > fC ) Sa ( f < fC1 ) Sa ( f < fC1 )* 0 = 0 Paso Banda 1 t R fC2 fC1 Sb (fC1 < f < fC2 ) Sb (fC1 < f < fC2 )* 1 = Sb (fC1 < f < fC2 ) Sc ( f > fC2 ) Sc ( f > fC2 ) )* 0 = 0

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

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

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

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

Circuitos electrónicos Amplificadores I Esquema Básico Se SS A Señal de Salida V ó I Señal de Entrada V ó I SS= A · Se GANANCIA GV Ganancia en tensión GI Ganancia en intensidad A

Amplificadores II Aplicaciones Circuitos electrónicos Esquema Básico Otros Parámetros Importantes Ze ZS A Ze - Impedancia de entrada Zs - Impedancia de salida Aplicaciones 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.

Amplificadores III Circuitos electrónicos Cadena de Amplificación Transductor de entrada Transductor de salida A1 A2 Pueden colocarse tantos ampli- ficadores 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.

Adaptación de impedancias Circuitos electrónicos Amplificadores IV Adaptación de impedancias Transductor de entrada Transductor de salida A1 A2 Zs1 Ze2 Máxima Transferencia de potencia Zs1 = Ze2 A mayor desadaptación más pérdida de potencia se produce

Realimentación I 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 Es un proceso habitual en el mundo de la ingeniería La realimentación existe en el mundo biológico

Ejemplo de Sistema Realimentado Circuitos electrónicos Realimentación II Ejemplo de Sistema Realimentado 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. 3º piso Mando a distancia GRUA Posición de la carretilla

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

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

Tipos de Realimentación Circuitos electrónicos Realimentación V Tipos de Realimentación Ar < A NEGATIVA Cuanto más fuerte sea la realimentación más estables será el sistema Esta Realimentación frena los cambios bruscos del sistema

Tipos de Realimentación Circuitos electrónicos Realimentación VI Tipos de Realimentación Ar > A POSITIVA 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 onda cuadrada: V t

Tipos de Realimentación Circuitos electrónicos Realimentación VII Tipos de Realimentación Ar = A OSCILADORES 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 = 

Amplificador Operacional Circuitos electrónicos OPERACIONAL I Amplificador Operacional - + +Vcc -Vcc V1 V2 V0 Ref -Vcc +Vcc V1-V2

Usos del Amplificador Operacional Circuitos electrónicos Operacional II Usos del Amplificador Operacional Amplificador R1 R2 i1 i2 Ve Vs - + Ve= -R1·i1 Vs= -R2·i2 Vs Ve = -R2 R1 i1=i2 Comparador -Vcc +Vcc Ve Led luce Led no luce Vs R2 Vs - + Ve

Circuitos electrónicos GENERADORES DE SEÑAL I Tipos de Generadores Señal de entrada Osciladores V t Oscilador Señal de salida senoidal Multivibradores Otros

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

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

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