Circuitos Electrónicos

Semiconductores

Acosta Diego

Arcos Ricardo

Borja Edwin

Chamorro Fanny

Cruz Víctor

Mantilla Cristian

Sorsoza Cristian

Tigse Cristian

4º Industrial

CAPÍTULO I

TIPOS DE CORRRIENTE

Existen varios tipos de corrientes que, por su naturaleza tienen diferencias entre sí. Alno ser iguales a cada una de ellas se les ha asociado un símbolo diferente.

CORRIENTE CONTINUA

La es la que proporciona las baterías de acumuladores, pilas, etc. Su símbolo derepresentación es CC. Una corriente continua se caracteriza porque los electroneslibres se mueven siempre en una misma dirección por el conductor y con unaintensidad constante.

f(t)

tt1 t2 t3 t4

1

2

Este tipo de corriente permanece con un valor de tensión constante que, por tanto,

siempre será el mismo, independientemente de momento en que se mida.

CORRIENTE CONTINUA PULSANTE

Esta es una corriente que si bien conserva la misma dirección, varia en cambio

de intensidad periódicamente, es decir, toma a iguales intervalos de tiempo

determinados, el mismo valor; las curvas de intensidad y de tensión se

diferencian solamente en el hecho de que determinado intervalo de tiempo

(período) se produce con igual forma y de que este período tiene una corta

duración, el cual por lo general es igual a una fracción de segundo.

f(t)

tt1 t2 t3 t4

1

2

0

T

f(t)máx

Si tenemos varias señales con distintas amplitudes y necesitamos ver cual onda

es mejor y la que nos ofrezca mayor voltaje, entonces calculamos en valor

medio con la siguiente fórmula:

f1(t)

t1

1

2

0

3

4

5

6

7

8

9

10

2 3 4 5 6 7 8 9

f2(t)

f3(t)

*Calcular el valor medio, es hallar el valor VDC de la señal.

Cálculo de valores medios

Esta curva que representa la variación de voltaje (eje Y) en función del tiempo

transcurrido (eje X) se denomina onda senoidal y corresponde a la

representación de la función trigonométrica

y= sin (X)

Veamos cuales son sus parámetros y características:

CORRIENTE ALTERNA

Hasta ahora en las corrientes que analizamos la intensidad de corriente circulaba

solamente en un solo sentido. La corriente alterna es aquella en la que la

intensidad de corriente cambia de sentido de circulación alternativamente y una

cantidad determinada de veces por segundo; para ello la fuente de energía tiene

que poder describir esta variación, es decir tiene que poder cambiar su polaridad

alternativamente.

Una señal sinusoidal, a(t), tensión, v(t), o corriente, i(t), se puede expresar

matemáticamente según sus parámetros característicos, como una función del

tiempo por medio de la siguiente ecuación:

En el siguiente grafico se muestra el voltaje alterno, la magnitud de éste varía

primero hacia arriba y luego hacia abajo y nos da una forma de onda llamada:

onda senoidal.

Donde:

• A0 es la amplitud máxima en voltios o amperios (también llamado valor máximoo de pico),

• es la velocidad angular, , (radianes/segundo).

• t el tiempo en segundos, y

• el ángulo de fase inicial en radianes.

Frecuencia: Número de ciclos completos de C.A. que ocurren en la unidad de tiempo.La unidad de medida es el Hertz (Hz) y se la designa con la letra f.

Período: Es el tiempo que tarda en producirse un ciclo de C.A. completo. La relaciónentre la frecuencia y el período es:

Valor instantáneo (a (t)): Es el que toma la onda en un instante, t, determinado.

Pico o cresta (A0): Valor de la tensión en cada "cresta" o "valle" de la señal, cuando

Valor pico a pico (App): Diferencia entre su pico o máximo positivo y su piconegativo. Dado que el valor máximo de sen(x) es +1 y el valor mínimo es -1, una señalsinusoidal que oscila entre +A0 y -A0.

El valor de pico a pico, escrito como APP, es por lo tanto (+A0)-(-A0) = 2×A0.

Valor medio (Amed): Valor del área que forma con el eje de abscisas partido por superíodo. El valor medio se puede interpretar como la componente de continua de laonda sinusoidal. El área se considera positiva si está por encima del eje de abscisas ynegativa si está por debajo. Como en una señal sinusoidal el semiciclo positivo esidéntico al negativo, su valor medio es nulo. Por eso el valor medio de una ondasinusoidal se refiere a un semiciclo. Mediante el cálculo integral se puede demostrarque su expresión es la siguiente:

Valor eficaz (A): su importancia se debe a que este valor es el que produce el mismoefecto calorífico que su equivalente en corriente continua (CC). Matemáticamente, elvalor eficaz de una magnitud variable con el tiempo, se define como la raíz cuadradade la media de los cuadrados de los valores instantáneos alcanzados durante unperíodo:

Se conoce también como valor R.M.S. (root mean square, valor cuadrático medio)

El valor A, tensión o intensidad, es útil para calcular la potencia consumida por unacarga. Así, si una tensión de corriente continua (CC), VCC, desarrolla una ciertapotencia P en una carga resistiva dada, una tensión de CA de Vrms desarrollará lamisma potencia P en la misma carga si Vrms = VCC.

Un semiconductor es un elemento (material) cuyaconductividad eléctrica es intermedia, entre unconductor y un aislante.

Valores representativos de resistividad.

Conductor Semiconductor Aislante

Ƿ = 10-6 Ω.cm Ƿ = 50 Ω.cm (Ge)

Ƿ = 50*103 Ω.cm (Si)

Ƿ = 5012 Ω.cm

Material Semiconductor

Estructura atómica del Germanio y del Silicio.

El átomo de Germanio contiene 32 electrones en su órbita,mientras que el átomo de Silicio contiene 14 electrones en suórbita.

Materiales intrínsecos: Son aquellos semiconductores que sehan refinado cuidadosamente con el objeto de eliminarimpurezas. (Material puro)

Materiales extrínsecos: Es un semiconductor que contieneimpurezas.

Existen dos materiales extrínsecos:

El material tipo n

El material tipo p

Materiales extrínsecos tipo n y tipo p

Tanto los materiales tipo n como tipo p seforman cuando se añade un numeropredeterminado de átomo de impurezas a unabase de Germanio o de Silicio.

Material tipo n.

El material tipo n se crea al introducir elementosimpuros que cuentan con 5 electrones de valencia(pentavalentes) como es el caso del Antimonio.

En la siguiente figura se muestra el efecto de taleselementos de impureza, al utilizar al Antimonio(Sb) como elemento de impureza sobre una basede Silicio.

Material tipo n.

Las impurezas difundidas que cuentan con 5 electrones de valencia se

denominan átomos donores.

El material tipo n tiene mayor cantidad de electrones en movimiento.

Material tipo p. El material tipo p se crea al introducir elementos impuros que

cuentan con 3 electrones de valencia como es el caso del Boro.

Efecto del Boro sobre una base de Silicio.

Las impurezas difundidas que cuentan con 3 electrones de valencia sedenominan átomos donores.El material tipo p tiene mayor cantidad de huecos, con lo cual puederecibir cargas negativas (electrones).

El DiodoEl diodo semiconductor está formado por los materiales

tipo p y tipo n, que están construidos en base de Ge o

Si.

Como el diodo es un dispositivo de dos terminales al

aplicarle voltaje tenemos tres posibilidades: sin

polarización, polarización directa, polarización inversa.

Sin polarización (VD = 0V)

Como podemos apreciar en la figura la mayoría de

los portadores minoritarios de cada material se

atraen formando una región de agotamiento

(barrera) que impide el paso libre de los electrones.

En cambio los portadores mayoritarios superan las

fuerzas de atracción entre sí.

Situación de polarización inversa (VD < 0V)

Si aplicamos un voltaje al diodo de tal manera que el positivo

circule por el material tipo n y el negativo por el material tipo p

la región de agotamiento o barrera desértica aumenta debido a

que los electrones en el material tipo n son atraídos los iones

positivos al aplicar la polarización inversa, que el mismo caso

sucede en el material tipo p que en consecuencia permiten el

paso de IS que es la corriente de saturación inversa que

prácticamente es casi cero.

Situación de polarización directa (VD > 0V)

Al aplicar una tensión directa se reduce la zona

desértica debido a la polarización de la batería, que

impulsa a los electrones y a los huecos por

consecuencia fluye corriente por el diodo ID.

Curva Característica del Diodo

Como tenemos en la imagen mientras apliquemos un cierto voltaje en un circuito con

un diodo (en polarización directa) el voltaje va ir aumentando hasta que llegue a un

determinado punto supuestamente constante de 0.7 para el caso del Si y 0.3 para el

Ge.

Polarizando inversamente un diodo en un circuito soportará mayores voltajes hasta

llegar a la región zener o voltaje ruptura reverso (su valor depende del diodo) y

dejará de funcionar y será como tener un alambre.

Punto de operación de un diodo: un punto sobre lacurva de V-I del diodo, al que le corresponde unvalor específico de tensión y de corriente.Recordar la Ley de Ohm, donde Resistencia es elcociente de V e I. Dado que la curva del diodo noes lineal (no es una recta sino una curva), cuando elpunto de operación de un diodo se mueve de unaregión a otra, la resistencia del diodo cambiarádebido a la forma no lineal de la curvacaracterística. Estudiaremos tres niveles diferentesde resistencia. Su conocimiento no solo esimportante para un diodo sino que también losutilizaremos al analizar otros dispositivos.

Niveles de resistencia en un diodo

Al aplicar un voltaje dc (continuo) a un

circuito que contiene un diodo

semiconductor, obtendremos un punto de

operación sobre la curva característica, que

no cambiará con el tiempo. En este caso, la

resistencia del diodo “RD” es el cociente

entre laVD y la ID:

1-Resistencia en dc o estática.

Resistencia en ac o dinámica: ¿Qué ocurre si en unpunto determinado de la curva se aplica una entradasenoidal en lugar de una entrada de dc?: el punto deoperación se desplazará hacia arriba y hacia abajocomo se muestra en la figura. Sin tener una señalvariable aplicada, el punto de operación es estable yse indica como Punto Q (“Q” de “quiescent” eninglés,“estable o sin variación” en español).

Para establecerla, consideramos una rectatangente al punto Q determinada. En cuanto a losvalores: A mayor pendiente de esta recta tangente,menor resistencia ac (menor la variación ∆Vd parael mismo cambio en ∆Id).

2-Resistencia en ac o dinámica.

Es la resistencia definida por una línea

dibujada entre dos intersecciones

establecidas por los valores máximos y

mínimos del voltaje de entrada:

3-Resistencia en ac promedio.

Circuito equivalente de segmentos lineales

Circuito Equivalente Ideal

Curvas características (ideal, real y aproximadas) de un diodo.

El diodo ideal es un dispositivo de dos terminales que tiene el símbolo y

las características que se muestran en la figura 1.1a y b,

respectivamente.

(b)

Figura 1.1 Diodo ideal: (a)símbolo; (b) característica.

(a)

Para un diodo de silicio la corriente de saturación inversa IS aumentará cerca del

doble en magnitud por cada 10° C de incremento en la temperatura.

Debido a la forma que tiene la curva característica del diodo, mostrada anteriormente,

y la forma compleja de la ecuación, con frecuencia se utiliza un modelo simplificado:

El modelo simplificado se puede utilizar siempre que la resistencia de la red y/o de

los dispositivos junto a los cuales se conectará el diodo sea mucho mayor que la

resistencia promedio del diodo rd, la cual se podría calcular como rd, en promedio, la

resistencia de un diodo de pequeña señal es de 26ð. Red >> rd

Circuitos equivalentes de diodos (Modelos)

Tiempo DeRecuperación Reversa

Diodo Zener

En conexión directa éste funciona como cualquier

diodo.

Características

Trabaja en conexión inversa

Trabaja con los valores de resistencia estándar.

De un voltaje variable se puede regular a un voltaje

continuo

DIODO NORMAL DIODO ZENER

A K A K

Curva Característica del Zener

IZT Corriente mínima de trabajo.IZT = 10 mA (valor mínimo)

Ejemplo

Sin carga

Símbolo del diodo LED

El LED es un tipo especial de diodo, que trabaja como un diodo

común, pero que al ser atravesado por la corriente eléctrica, emite

luz.

Diodo Emisor De Luz

Existen diodos LED de varios colores que dependen del

material con el cual fueron construidos. Hay de color

rojo, verde, amarillo y más.

Color de Diodos

Led Rojo LedVioleta Led Blanco

LedVerde Led Naranja Led Azul

Comportamiento

Eléctricamente el diodo LED se comportaigual que un diodo de silicio o germanio.

Si se pasa una corriente a través del diodosemiconductor, se inyectan electrones y huecosen las regiones P y N, respectivamente.

Dependiendo de la magnitud de la corriente,hay recombinación de los portadores de carga(electrones y huecos). Hay un tipo derecombinaciones que se llamanrecombinaciones radiantes (aquí la emisiónde luz).

Polarización DirectaPara conectar LED de modo que iluminen de forma continua, deben estar

polarizados directamente, es decir, con el polo positivo de la fuente de

alimentación conectada al ánodo y el polo negativo conectado al cátodo.

Además, la fuente de alimentación debe suministrarle una tensión o diferencia

de potencial superior a su tensión umbral. Por otro lado, se debe garantizar que

la corriente que circula por ellos no excede los límites admisibles.

Características

Ventajas

Fiabilidad, mayor eficiencia energética, mayor resistencia

a las vibraciones, mejor visión ante diversas

circunstancias de iluminación, menor disipación de

energía, menor riesgo para el medio ambiente,

capacidad para operar de forma intermitente de modo

continuo, respuesta rápida y más.

Se pueden producir luces de diferentes colores con un

rendimiento luminoso elevado, a diferencia de muchas

de las lámparas utilizadas hasta ahora, que tienen filtros

para lograr un efecto similar.

También se utilizan en la emisión de señales de luz que

se trasmiten a través de fibra óptica.

Desventajas

Las desventajas del diodo LED son quesu potencia de iluminación es tan baja.

Que su luz es invisible bajo una fuente de luzbrillante y que su ángulo de visibilidad está entrelos 30° y 60°. Este último problema se corrigecon cubiertas difusores de luz.

Los LEDs fallan de una forma diferente a las otras fuentes de luz.

En lugar de detenerse de manera simple y abrupta, los LEDs reducen su intensidad de manera gradual en el tiempo. La llamada “depreciación de lumen” resultante en una reducción del 30 o 50% en potencia de luz, es considerada comunmente como una falla.

Aunque tales diferencia parecen grandes, el ojo humano no responde linealmente a los cambios en la intesidad de la luz, entonces son aceptables en términos de rendimiento. Se espera que la vida de los dispositivos LED alcancen las 50.000 horas.

Es probable que las luces blancas LED residenciales de primera generación sean utilizados como reemplazo directo en adaptadores ya diseñados para lámparas incandescentes.

Esto hará que la electrónica se construya a partir de lámparas, en una forma similar a las LFC. Esto derivará en lámparas con una gran diversidad en cuanto a composición de materiales.

Como sucede con las actuales LFC, existirán los mismos desafíos en cuanto al reciclado cuando se acabe la vida útil de la lámpara. En la actualidad, el reciclado del balasto electrónico de las LFC incluye la destrucción seguida de la fundición para recuperar el contenido de metal de valor. Es razonable pensar que un destino similar le espera al los reemplazo de las lámparas LED

Iluminación en vehículos

Alumbrado público y semáforos

Iluminación arquitectónica, publicitaria y

decorativa

Pantallas electrónicas

Iluminación General

Iluminación residencial para hogares fuera

de la red

El visualizador de siete

segmentos (llamado también display) es

una forma de representar números en

equipos eléctronicos. Está compuesto de

siete segmentos que se pueden encender

o apagar individualmente. Cada segmento

tiene la forma de una pequeña línea. Se

podría comparar a escribir números

con cerillas o fósforos de madera.

El display de 7 segmentos o visualizador de 7 segmentos es un componente que se utiliza para la representación de números en muchos dispositivos electrónicos debido en gran medida a su simplicidad. Aunque externamente su forma difiere considerablemente de un diodo LED (diodos emisores de luz) típico, internamente están constituidos por una serie de diodos LED con unas determinadas conexiones internas, estratégicamente ubicados de tal forma que forme un número 8.

A cada uno de los segmentos que forman el display se les denomina a, b, c, d, e, f y g y están ensamblados de forma que se permita activar cada segmento por separado consiguiendo formar cualquier dígito numérico.

Un fotodiodo es un semiconductor construido con una unión PN, sensible a la incidencia de la luz visible o infrarroja. Para que su funcionamiento sea correcto se polariza inversamente, con lo que se producirá una cierta circulación de corriente cuando sea excitado por la luz. Debido a su construcción, los fotodiodos se comportan como células fotovoltaicas, es decir, en ausencia de luz exterior generan una tensión muy pequeña con el positivo en el ánodo y el negativo en el cátodo. Esta corriente presente en ausencia de luz recibe el nombre de corriente de oscuridad.

Un fotodiodo es una unión PN o estructura

P-I-N. Cuando una luz de suficiente energía

llega al diodo, excita un electrón dándole

movimiento y crea un hueco con carga

positiva. Si la absorción ocurre en la zona de

agotamiento de la unión, o a una distancia de

difusión de él, estos portadores son

retirados de la unión por el campo de la

zona de agotamiento, produciendo una

fotocorriente.

El material empleado en la composición de un fotodiodo es un

factor crítico para definir sus propiedades. Suelen estar

compuestos de silicio, sensible a la luz visible (longitud de onda de

hasta 1µm); germanio para luz infrarroja (longitud de onda hasta

aprox. 1,8 µm); o de cualquier otro material semiconductor.

el fotodiodo responde a los cambios de oscuridad a iluminación y viceversa con mucha más velocidad, y puede utilizarse en circuitos con tiempo de respuesta más pequeño.

Se usa en los lectores de CD, recuperando la información grabada en el surco del Cd transformando la luz del haz láser reflejada en el mismo en impulsos eléctricos para ser procesados por el sistema y obtener como resultado los datos grabados.

Usados en fibra óptica

Señales sinodales

Rectificación de media onda.Las redes más sencillas para examinar bajo una señal con variación en el

tiempo aparece a continuación.

Rectificador de media onda.

Grafica del diodo en señal alterna.

Valor medio de la señal.

Rectificadores de onda completa

El rectificador de media onda es un circuito

empleado para eliminar la parte negativa o positiva de

una señal de corriente alterna de entrada (Vi)

convirtiéndola en corriente directa de salida (Vo).

Esquema del rectificador de onda

completa

Como podemos observar

en la fugura gracias a este

puente de diodos la carga

resistiva siempre va a

tener un voltaje con la

misma polaridad en el

semiciclo positivo y

negativo.

Trayectoria de conducción para la

region positiva de vi

Cuando la señal alterna esté

en un semiciclo positivo la

corriente va a tener una

trayectoria como se

muestra en la figura. Estarán

en funcionamiento

el D2Y D3.

Trayectoria de conducción para la

region negativa de vi

Cuando la señal alterna

esté en un semiciclo

negativo la corriente va a

tener una trayectoria

como se muestra en la

figura. Estarán en

funcionamiento el D1 Y

D4.

En conclusión entrará una señal alterna al circuitoy por el puente de diodos se convertirá encorriente directa.

Valor rms de la rectificación de media onda de [V]

Valor medio o dc de la rectificación de media onda de [V]

Valor medio o dc de la rectificación de media onda de [I]

Valor rms de la rectificación de media onda de [I]