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  1. Introducción a la Electrónica Dispositivos semiconductores Introducción a la Electrónica - 2008

  2. 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 $ Introducción a la Electrónica 2008

  3. 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 - ?? Introducción a la Electrónica 2008

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

  5. Semiconductores - Introducción Corriente de desplazamiento Movimiento aleatorio sin un campo eléctrico aplicado Movimiento aleatorio con un campo eléctrico aplicado Introducción a la Electrónica 2008

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

  7. Semiconductores - Introducción plata • Conductividad cobre aluminio conductores grafito germanio semiconductores silicio Agua destilada baquelita aisladores mica cuarzo Introducción a la Electrónica 2008

  8. 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 inicial Concentración final Introducción a la Electrónica 2008

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

  10. 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 Introducción a la Electrónica 2008

  11. 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 Introducción a la Electrónica 2008

  12. 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. Introducción a la Electrónica 2008

  13. Teoría de bandas de energía • Clasificación de los materiales • Existen electrones en la banda de conducción a temperatura ambiente. semiconductor conductor aislador • Las bandas de conducción y de valencia se solapan. • Existe un gran número de electrones en la banda de conducción a temperatura ambiente. • 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 Introducción a la Electrónica 2008

  14. Teoría de bandas de energía • Clasificación de los materiales Introducción a la Electrónica 2008

  15. 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 Introducción a la Electrónica 2008

  16. Semiconductores: Silicio • Estructura cristalina Enlaces covalentes Átomo de silicio Introducción a la Electrónica 2008

  17. Sin portadores electrón laguna Semiconductores: Silicio • Portadores 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 Introducción a la Electrónica 2008

  18. Semiconductores: Silicio Generación de pares electrones-lagunas Concentración de electrones intrínseco Concentración de lagunas Corriente en un semiconductor 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 Movilidad de los electrones Movilidad de las lagunas Introducción a la Electrónica 2008

  19. Semiconductores: Silicio • Circulación de corriente en un semiconductor Introducción a la Electrónica 2008

  20. 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 Introducción a la Electrónica 2008

  21. Silicio – Tipo N Conductividad Concentración de átomos donores Introducción a la Electrónica 2008

  22. 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 Introducción a la Electrónica 2008

  23. 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 Introducción a la Electrónica 2008

  24. Juntura P-N La concentración de átomos donores es mayor que la de aceptores aislados • 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 Introducción a la Electrónica 2008

  25. Electrones Lagunas 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 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. Introducción a la Electrónica 2008

  26. 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 El campo eléctrico desplaza los electrones fuera de la región de depleción potencial Corriente de desplazamiento 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 Corriente de difusión Corriente de desplazamiento = N P N P Introducción a la Electrónica 2008

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

  28. 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 Introducción a la Electrónica 2008

  29. 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 Introducción a la Electrónica 2008

  30. Juntura PN EQUILIBRIO Polarización directa Polarización inversa Introducción a la Electrónica 2008

  31. El diodo • La corriente de lagunas y la corriente de electrones son asumidas como corrientes de difusión. Tensión de ruptura inversa 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 Introducción a la Electrónica 2008

  32. Modelo del diodo Introducción a la Electrónica 2008

  33. 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. Introducción a la Electrónica 2008

  34. El diodo – Aplicaciones • Rectificadores • Reguladores • Circuitos de enclavamiento • Circuitos lógicos • LEDs, fotodiodos Introducción a la Electrónica 2008

  35. Rectificadores Rectificador de media onda Rectificador de onda completa Introducción a la Electrónica 2008

  36. Rectificadores Rectificador de onda completa Introducción a la Electrónica 2008

  37. Rectificadores con filtro RC Introducción a la Electrónica 2008

  38. Rectificadores con filtro RC • Rizado en filtros RC (ripple) Introducción a la Electrónica 2008

  39. Rectificadores • Ejemplo: Cargador de batería Introducción a la Electrónica 2008

  40. Reguladores Introducción a la Electrónica 2008

  41. Recortadores Introducción a la Electrónica 2008

  42. Circuitos lógicos con diodos Introducción a la Electrónica 2008