ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL LITORAL

CURSO DE ELECTRONICA I

I TERMINO 2007

M.B.A. CARLOS SALAZAR LOPEZ

PROGRAMACION DEL CURSO

Elementos de dos terminalesRectificadores y filtros capacitivosTransistores bipolares (BJT)Reguladores de voltaje Transistores de efecto de campo (FET)Amplificadores (a.c.) de pequeña señal

Texto guía: Electrónica Teoría de Circuitos. Boylestad R.Textos alternativos: Principios de Electrónica. Malvino

Circuitos Electrónicos. SchillingElectrónica I. FIEC

POLITICAS DEL CURSO

PuntualidadRespeto….

Deberes 00 ptos.Lección 30 ptos.Examen 70 ptos.

PROGRAMA

Elementos de dos terminales

Rectificadores y filtros capacitivos

Transistores bipolares (BJT)

Reguladores de voltaje

Transistores de efecto de campo (FET)

Amplificadores (a.c.) de pequeña señal

1.1 Elementos de dos terminalesIntroducción

Años cuarenta, introducción del transistor semiconductor … miniaturización!Semiconductor es un material con niveles de conductividad entre los extremos de un aislante y un conductor.

AlR ×

=δ

donde R es la resistencia del material (ohm); l es la longitud de la muestra (m); A es el área superficial incidente (m2); y δ es la resistividad (ohm x m)

A

l

Conductor Semiconductor Aislador

Cobre 10-6 Ge 50 ohm.cm Mica 1012

ohm.cm

Si 50x103

ohm.cm

1.2 Características generales

Estructura atómica

germanio silicio

Si Si Si

Si Si Si

--

--

--

--

--

-- -

-

--

--

-- -

-

--

Enlaces covalentes

Cristal es un sólido formado por la combinación de átomos .Materiales

intrínsecos son semiconductores que se han refinado para reducir

impurezas

Los semiconductores tienen un coeficiente negativo de temperatura, ya que la nergía térmica del aire circundante hace que los átomosen un cristal vibren, y ocasionalmente puede desplazarsé electronesde la órbita de valencia.

Individualmente, cuanto mas distante del núcleo este el electrón, mayor será el estado de energía

(niveles de energía discretos)

+32 +14

1.3 Niveles de energía

Entre los niveles de energía discretos hay bandas en las que ningún electrón en la estructura atómica puede aparecer

Bandas de energía

Bandas de energía

Nivel de valencia

Núcleo

2do Nivel3er Nivel

Energía

Energía

AISLADOR CONDUCTOR

Banda de conducción

Eg>5ev

Banda de conducción

Banda de conducción

Banda de valencia

Banda de valencia

Banda de valencia

Energía Energía

Eg=1.1 eV (Si)

Eg=0.67eV (Ge)

SEMICONDUCTOR

Expansión de los niveles discretos de energía de los electrones de valencia a BANDAS como resultado de la cristalización (red de electrones)

1.4 Materiales extrínsecos tipo n y tipo p

Si ciertas impurezas se añaden a materiales semiconductores intrínsecos e Ge ó Si, el resultado es que habrá estados de energía permisibles en la banda prohibida y una reducción neta en Eg para ambos materiales semiconductores. De esta manera se forman materiales tipo n y tipo p.

Si Si Si

Si Sb Si

--

--

--

--

--

-- -

-

--

--

-- -

-

--

Si Si Si--

-- -

-

-- -

-

--

-

Si Si Si

Si B Si

--

--

--

--

--

-- -

-

--

--

- --

--

Si Si Si--

-- -

-

-- -

-

--

Impurezas trivalentes con átomos aceptores como B ó Ga

Material tipo n Material tipo p

Impurezas pentavalentes con átomos donadores Sb ó P

Vacancia o hueco

Quinto electrón de valencia

Electrón

hueco

1.4 Materiales extrínsecos tipo n y tipo p

Material tipo n Material tipo p

El electrón se denomina portador mayoritario, y el hueco portador

minoritario.

El hueco se denomina portador mayoritario, y el electrón portador minoritario.

Cuando el quinto electrón de un átomo donador abandona el átomo al cual

pertenecía, este átomo padre adquiere una carga positiva neta

-

--

-

-

--

-

-

--

--

--

-

--

-

++

+

++

++

+ +

+ -

+ --

+ +

+ +

+

+

+

+

-

---

-

-

-+

+

++

+

+

Iones donadores

Iones aceptores

La unión de un material tipo n con uno tipo pproducirá un semiconductor de importancia

EL DIODO

1.5 Diodo Ideal

Dispositivo no lineal de dos terminales cuyo funcionamiento es como el de un interruptor (encendido o apagado).

vd+ -

Id

vd

Id

- +

+

-Sentido convencional

(flujo de huecos)

1.6 Construcción básica y características del DIODO

Cuando un material tipo p y uno tipo n se unen se producirá una combinación de huecos y electrones en la región de unión

--

+ +

+

++

+

+

-

--

-

-

-

-

+

++

-

-

--

-

-

--

--

- -

-

- --

++

++

+

++

+ -+-

-----

-------

tipo p tipo n

+

++

+

++

+

++

++

+

+ +

Sin polarización

Región de vaciamiento: el campo eléctrico de los dipolos equivale a una barrera de potencial. Ge=0.3v y Si=0.7v a 25ºC

Unión pn o juntura

I=0 I=0

+ Ión positivo - Ión negativo + - Par de iones dipolo

1.6.1 Respuesta a la polarización inversa del DIODO

--

+ +

+

++

+

+

-

--

-

-

-

-

+

++

--

--

-

-

--

- -- -

-

- - -

++

++

+

+

+

+ -+-

-----

-------

tipo p tipo n

+

++

+

++

+

++

++

+

+ +

Polarización inversa- +

+

+

++

+

-------

Región de vaciamiento se ensancha !!

Is es la corriente de saturación inversa (uA) y se produce por efecto térmico. Esto es dependen exclusivamente de la temperatura. Is Si << Is Ge

Corriente superficial de fuga (Isup fuga) esta presente además, es función de la polarización.

Imayoritarios es cero, pues se aumentó la barrera de potencial con el incremento de la región de vaciamiento

Imayoritarios = 0Is

Isup de fuga

1.6.2 Respuesta a la polarización directa del DIODO

--

+ ++

++

+

+

-

--

-

-

-

-

+

++

--

--

-

-

--

- -- -

-

- - -

++

++

+

+

+ -+-

-----

tipo p tipo n

+

++

++ +

Polarización directa+

-

-

-+

+

+

+

+-

-Is es la corriente de saturación inversa (uA), no cambia en magnitud.

La reducción de la región de vaciamiento provoca un flujo de portadores mayoritarios denso a través de la unión. (Imayoritarios)

Id es la corriente del diodo y será la diferencia entre la corriente de portadores mayoritarios menos la corriente de saturación inversa.

(ID=Imayoritarios-Is)

Región de vaciamiento se reduce !!ImayoritariosIs

IdId

Curva de operación del diodo

Efectos de la temperatura

Temperatura afecta prácticamente todas las características de cualquier dispositivo semiconductor

Vd(V)

Id(mA)200ºC

100ºC25ºC

-75ºC

0.5 0.7 1.0 1.5

-10-20-30-40-50

Variación de las características del diodo respecto a cambios de temperatura

CIRCUITOS EQUIVALENTES PARA EL DIODO

Capacitancias internas del diodo

Capacitancia de transición (CT) en la región de polarización inversaCapacitancia de difusión (CD) en la región de polarización directa.

0 0.25 0.5-5-10-15-20

Polarización directa CD

Polarización inversa CT

C(pF)

V(v)

CT o CD

5

10

15

Tiempo de recuperación inversa (trr)

El cambio de conducción a corte presentará una respuesta en el tiempo mayor a la deseada.El tiempo de almacenamiento ta es requerido para que los portadores minoritarios regresen a su estado de portadores mayoritarios en el material opuesto.El intervalo de transición tt es el tiempo requerido para que la corriente reduzca su nivel hasta el asociado al nuevo estado de no conducción.

Respuesta deseada

Respuesta real

t

Id

on

off

ta tt

trr

t1

Potencia de los diodos

Potencia DC

ddd IVP ×=

Potencia total = Pot DC + Pot AC

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ×

+×=2

)()( pipvIVPd dddd

vd+ -

Id

Disipadores de calor (heat sinks)Incremento de niveles de corriente en el semiconductor resultará en in cremento de la temperatura de unión (juntura). Temperaturas de operación para Ge de 85 a 100ºCy Si de 150 a 200 ºC

juntura

capsula

ambiente

θJC

θCA

TJ (temperatura de la juntura) en ºC

TC (temperatura del encapsulado) en ºC

TS (temperatura de disipador) en ºC

TA (temperatura ambiente) en ºC

θJC

θCS

θSA

θJA

θCA

TJ

TC

TA

juntura

capsula

disipador

ambiente

θCS

θSA

θJC

TA

Ts

TC

TJ

Θ es resistencia térmica (ºC/W)

Analogía temperatura-electricidad

T ≈ V ; θ ≈ R ; PD ≈ IV=I.R ≈ T=PD. θ

Donde:V es voltaje, R es resistencia e I es corrienteT es temperatura, θ es resistencia térmica y PD es potencia

disipada

( )( ) CAdAC

JCdCJ

JAdAJ

PTT

PTT

PTT

θ

θ

θ

=−

=−

+=TJ

TC

TA

θJC

θCA

PDTJ - TA

;CAJCJA θθθ +=

TC2TC1

PD MÁX

PD

1/m = θJC

TC

Curva de derrateo de potencia

TJ Máx

General

Sin disipador

Con disipador

( )( )DACDJCDAJ

CAJCDAJ

JADAJ

PTTPTTPTT

θθθθθ

θ

++×+=+×+=

×+=

Diodo zener

vz+-

Iz

+Vz-

rav

+Vz-

Modelos del diodo zener

PROGRAMA

Elementos de dos terminales

Rectificadores y filtros capacitivos

Transistores bipolares (BJT)

Reguladores de voltaje

Transistores de efecto de campo (FET)

Amplificadores (a.c.) de pequeña señal

Fuentes de alimentación lineales

Transformación Rectificación Filtrado Regulación Carga

PROGRAMA

Elementos de dos terminales

Rectificadores y filtros capacitivos

Transistores bipolares (BJT)

Reguladores de voltaje

Transistores de efecto de campo (FET)

Amplificadores (a.c.) de pequeña señal

3. Transistores de unión bipolar (BJT)

Desde 1947 surge el advenimiento de esta tecnologíaDispositivo semiconductor de tres capas (2 tipo p y una tipo n, o bien podría ser 2 capas tipo n y una capa tipo p)

E C CE

B B

p pn

VEB

n np

VEB VCBVCB

Configuración base común

E C

B

p pn

VEB VCB

E C

B

p nn

VEB VCB

E

B

CIE IC

IB

VEB VCB

+ +

- -

+ + + +- - --

E

B

CIE IC

IBVEB VCB

+ +

- -Segundo subíndice indica configuración del transistor

EC II ≅

IB IB

ICIE

IE

IC

E

CI

I≅α

Configuración base común (pnp)

IE(mA)

VEB(V)

IC(mA)

VCB(V)Región de corte

Reg

ión

de s

atu

raci

ón Región activa o lineal

IE=0

IE=1mA

IE=2mA

IE=3mA

IE=4mA

Característica de colector o salida

VCB = -20 vVCB = -10 v

VCB = -1 v

Característica de emisor o entrada

1

2

3

4

0 -10 -200.7

1

2

3

4

Configuración emisor común

n

n

p

p

p

n

IEVBE

VCE+

+

IC

IB

-

-

B

E

C

IEVBE

VCE+

+

-

-B

VCE

IC

IB

E

C

B

C

E

B

C

EVBE VBE

VCE

IB

IC

IE IE

IB

IC

B

CI

I≅β( )

( )1

1

111

+=

−=

+=

+=

+=

=

=

ββα

ααβ

βα

βα

α

β

CC

C

BCE

E

C

IIIIII

II

IBIC

Configuración emisor común (npn)

IB(uA)

VBE(V)

IC(mA)

VCE(V)Región de corte

Reg

ión

de s

atu

raci

ón

IB=0

IB=10uA

IB=20uA

IB=30uA

IB=40uA

Característica de colector o salida

VCE = 1 vVCE = 10 v

VCE = 20 v

Característica de base o entrada

1

2

3

4

0 +10 +200.7

10

20

30

40

Región activa o lineal

Configuración colector común

IC

IB

VEC

+

IE

-

B

C

E

IC

IB

VEB

VEC

+

+

-

-

B

E

B

E

VEC

IE

C

B

E

CC

VEB VEB

VEC

IB

IE

IC IC

IB

IE

B

CI

I≅β( )

( )1

1

111

+=

−=

+=

+=

+=

=

=

ββα

ααβ

βα

βα

α

β

CC

C

BCE

E

C

IIIIII

II

IBIC

n

n

p

p

p

n

VEB

+

-

Polarización de BJT

Polarización fijaPolarización con resistencia de emisorPolarización tipo H (independiente de beta)Polarización con resistencia de retroalimentación