12/08/2008Introducción a la Electrónica Introducción a la Electrónica Dispositivos semiconductores.

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1 12/08/2008Introducción a la Electrónica - 2008 Introducción a la Electrónica Dispositivos semiconductores

2 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Semiconductores y su evolución Millikan - la naturaleza discreta de la carga eléctrica Planck - la teoría quántica Einstein – Efecto fotoeléctrico Schrondinger – Ecuación de ondas … 1948, laboratorios Bell – primer transistor Germanio Ganancia de voltaje de 100 Frecuencias de audio 1956 – Premio Nobel !! Precio de un transistor – 10 $

3 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Semiconductores y su evolución 1961 – Primer circuito integrado 4 transistores + 2 resistencias 1969 – Primer amplificador operacional Costo: 75 $ 1967 – Memoria de 64 bits 1968 – Memoria de 1024 bits 1994 – Memoria de 256 megabits 2008 - ??

4 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Semiconductores - Introducción Existen dos mecanismos asociados al transporte de partículas cargadas en un sólido Corriente de desplazamiento Corriente de difusión

5 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Semiconductores - Introducción Corriente de desplazamiento Movimiento aleatorio con un campo eléctrico aplicado Movimiento aleatorio sin un campo eléctrico aplicado

6 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Semiconductores - Introducción Conductividad Corriente Velocidad de desplazamiento promedio Densidad de corriente Conductividad Número de portadores de carga Movilidad

7 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Semiconductores - Introducción Conductividad plata cobre aluminio grafito germanio silicio Agua destilada baquelita mica cuarzo conductores semiconductores aisladores

8 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Semiconductores - Introducción Corriente de difusión Si existe una elevada concentración de partículas en una región comparada con otra, existirá un desplazamiento neto de partículas que ecualizara la concentración luego de un periodo de tiempo Concentración inicialConcentración final

9 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Semiconductores - Introducción Corriente de difusión Relación de Einstein Flujo de partículas Constante de difusión Densidad de corriente (electrones) Densidad de corriente (cargas positivas) Las constantes de difusión y la movilidad están relacionadas. Ambas constantes relacionan el movimiento de las partículas y las colisiones

10 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Teoría de bandas de energía Atomo aislado de hidrogeno Modelo de Bohr: la energia de los electrones en sistemas atomicos esta restringida a un limitado set de valores. Cada nivel de energia corresponde a una orbita del electron alrededor del nucleo El desplazamiento de un electron de un nivel discreto de energia hacia otro de mayor nivel requiere una cantidad de energia extra. Un electron desplazandose hacia un nivel de energia inferior, libera una cantidad discreta de energia

11 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Teoría de bandas de energía Un solido esta formado por diversos atomos cuyos niveles de energia interactuan entre si, resultando en un acoplamiento de los niveles discretos de energia formando bandas de niveles de energia permtidos

12 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Teoría de bandas de energía Diagrama de bandas de energia Banda de valencia: los electrones no son moviles, no contribuyendo a la conduccion de corriente electrica. Banda de conduccion: es la banda ubicada sobre la banda de valencia. Se encuentra parcialmente llena. Excitando con una pequena cantidad de energia, se puede iniciar el desplazamiento de los electrones -> corriente electrica. Banda prohibida: esta ubicada entre la banda de conduccion y la banda de valencia. Son niveles continuos de energia que no pueden ser ocupados por portadores de carga.

13 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Teoría de bandas de energía Clasificación de los materiales aislador semiconductor conductor Banda de conducción vacía Banda de valencia llena Gran cantidad de energía es requerida para desplazar un electrón de la banda de valencia a la de conducción Las bandas de conducción y de valencia se solapan. Existe un gran número de electrones en la banda de conducción a temperatura ambiente. Existen electrones en la banda de conducción a temperatura ambiente.

14 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Teoría de bandas de energía Clasificación de los materiales

15 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Semiconductores: Silicio Estructura cristalina La distribución espacial de los átomos dentro de un material determina sus propiedades. El silicio puede existir en tres formas diferentes Amorfo -> grafito Policristalino Cristalino -> diamante

16 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Semiconductores: Silicio Estructura cristalina Átomo de silicio Enlaces covalentes

17 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Semiconductores: Silicio Portadores Sin portadores electrón laguna Cuando un enlace de Si-Si es roto, el electrón asociado es un portador de corriente. Equivalentemente, la excitación de un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción crea portadores -> Electrones en la banda de conducción son portadores Remover un electrón de la banda de valencia crea un estado vacío. Este estado vacío, es un segundo tipo de portadores denominado lagunas Electrones y lagunas son portadores en los semiconductores

18 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Semiconductores: Silicio Generación de pares electrones-lagunas A elevar la temperatura algunos enlaces covalentes son rotos, y los electrones asociados al enlace son libres de desplazarse bajo la influencia de un campo eléctrico externo. Simultáneamente, la ruptura del enlace, deja una carga positiva neta en la estructura de valencia -> lagunas Concentración de electrones Concentración de lagunas intrínseco Movilidad de los electrones Movilidad de las lagunas Corriente en un semiconductor

19 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Semiconductores: Silicio Circulación de corriente en un semiconductor

20 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Silicio con dopaje El agregado de un pequeño porcentaje de átomos foráneos en la estructura cristalina del silicio produce importantes cambios en sus propiedades eléctricas. Material tipo N: Dopantes con valencia +5 son utilizados. 4 electrones de la banda de valencia forman enlaces covalentes con los átomos vecinos de silicio. El electrón restante esta débilmente ligado al átomo de impureza, actuando como un electrón libre. Impurezas donoras: donan un electrón a la banda de conducción. Fósforo, arsénico, antimonio

21 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Silicio – Tipo N Concentración de átomos donores Conductividad

22 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Silicio – Tipo P TIPO P Dopantes con valencia +3 son empleados: Boro, Galio, Indio. Para completar el enlace covalente con átomos de silicio, un electrón es atraído de la banda de valencia dejando una laguna. impureza aceptora: acepta un electrón de la banda de valencia

23 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Semiconductores Terminología Semiconductor intrínseco: semiconductor sin el agregado de impurezas Donor: Átomos de impurezas que incrementan la concentración de electrones Aceptor Átomos de impurezas que incrementan la concentración de lagunas Portadores mayoritarios: Los portadores mas abundantes en un semiconductor. Electrones en material tipo N y lagunas en material tipo P. Portadores minoritarios: Los portadores menos abundantes en un semiconductor. Electrones en material tipo P y lagunas en material tipo N

24 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Juntura P-N La concentración de átomos donores es mayor que la de aceptores A temperatura ambiente, Cada electrón de los átomos donores tiene suficiente energía para escapar de su átomo y puede desplazarse libremente. Los átomos aceptores han adquirido un electrón de la banda de valencia, dejando lagunas que circulan libremente aislados

25 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Juntura P-N en equilibrio Un diodo de juntura consiste de un material Semiconductor tipo P en contacto con un material N. Consideraciones Region P – N_A atomos aceptores Region N – N_D atomos donores N_D>N_A No existe potencial externo aplicado Electrones Lagunas Región N: Los electrones cercanos a la juntura se difunden desde la región con alta concentración de electrones (región N) a la región con baja concentración de electrones (region P). Región P: Las lagunas se difunden hacia la región N.

26 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Juntura P-N en equilibrio Los electrones que se difunden a la región P dejan átomos ionizados + en el lado N. Las lagunas dejan átomos ionizados – en la región P. Región de depleción : capa de iones sin neutralizar Densidad de carga Campo eléctrico potencial El campo eléctrico desplaza los electrones fuera de la región de depleción Corriente de desplazamiento Corriente de difusión Corriente de desplazamiento N P = EQUILIBRIO : otros electrones de la región N no pueden migrar hacia la región P porque son repelidos por los iones negativos de la región P y atraídos por los iones negativos de la región N

27 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Juntura PN en equilibrio Campo eléctrico potencial Concentración de portadores Niveles de energía Una barrera de potencial es generada para mantener el equilibrio Potencial de contacto Representa la barrera de potencial que debe ser sobrepasada para que un portador de carga se difunda a través de la juntura

28 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Juntura PN – polarización directa Al ser polarizada directamente la juntura PN, el potencial de juntura disminuye. Los electrones se difunden hacia la región P y las lagunas hacia la región N La corriente de difusión es la dominante Corriente de difusión Corriente de desplazamiento

29 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Juntura PN – polarización inversa La barrera de potencial aumenta. El campo electrico se intensifica. La capa de depleción se ensancha. La corriente de difusión se hace cercana a cero Corriente de difusión Corriente de desplazamiento

30 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Juntura PN EQUILIBRIO Polarización directa Polarización inversa

31 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 El diodo La corriente de lagunas y la corriente de electrones son asumidas como corrientes de difusión. Corriente de saturación inversa : es función del área de juntura, de las constantes de difusión, concentración de equilibrio y longitud de difusión de los portadores minoritarios Tensión de ruptura inversa

32 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Modelo del diodo

33 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 El diodo – Efecto zener Si un voltaje negativo suficientemente elevado es aplicado, la juntura PN experimentara una rápida avalancha y conducirá en la dirección inversa. Los electrones de valencia que son liberados bajo la influencia del campo eléctrico aplicado, son acelerados colisionando con otros electrones creando una avalancha. En esta región, pequeños cambios en el voltaje aplicado pueden causar grandes variaciones de corriente. Modificando el espesor de la capa donde el voltaje es aplicado, el efecto zener puede ocurrir a tensiones inversas desde los 4 volts hasta cientos de volts.

34 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 El diodo – Aplicaciones Rectificadores Reguladores Circuitos de enclavamiento Circuitos lógicos LEDs, fotodiodos

35 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Rectificadores Rectificador de media onda Rectificador de onda completa

36 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Rectificadores Rectificador de onda completa

37 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Rectificadores con filtro RC

38 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Rectificadores con filtro RC Rizado en filtros RC (ripple)

39 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Rectificadores Ejemplo: Cargador de batería

40 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Reguladores

41 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Recortadores

42 28/06/2018 Introducción a la Electrónica 2008 Circuitos lógicos con diodos