TEMA 2. DISPOSITIVOS

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1 María Jesús Martín Martínez : [email protected] TEMA 2. DISPOSITIVOS TEMA 2. DISPOSITIVOS IEEE 125 Aniversary: http://www.flickr.com/photos/ieee125/with/2809342254/ http://www.tech-faq.com/wp-content/uploads/images/integrated-circuit-layout.jpg

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1María Jesús Martín Martínez : [email protected]

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS

IEEE 125 Aniversary: http://www.flickr.com/photos/ieee125/with/2809342254/

http://www.tech-faq.com/wp-content/uploads/images/integrated-circuit-layout.jpg

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2María Jesús Martín Martínez : [email protected]

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS

2.2. Diodo de UniDiodo de Unióón (n (UniUnióónn PP--N).N).

3.3. Transistor Bipolar de UniTransistor Bipolar de Unióón (BJT).n (BJT).

4.4. Transistor de Efecto de Campo MetalTransistor de Efecto de Campo Metal--OxidoOxido--Semiconductor (MOSFET).Semiconductor (MOSFET).

5.5. Diodo emisor de luz (LED).Diodo emisor de luz (LED).

6.6. Ejercicios propuestosEjercicios propuestos

www.esacademic.comees.wikispaces.com

upload.wikimedia.org

erenovable.com

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3María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Es el dispositivo más sencillo y básico. Consiste en un semiconductor con impurificación no homogénea:

Un lado dopado con impurezas aceptadoras (Tipo P).

En el otro son impurezas donadoras (Tipo N). Tiene dos terminales externos (dos metales):

Ánodo (conectado a la región P) Cátodo (conectado a la región N)

Generalmente el cátodo se conecta a tierra, y se aplica al ánodo una tensión V

Si la tensión aplicada entre terminales V=0 La uniónestá en equilibrio.

Si la tensión aplicada entre terminales es diferente de cero Diodo polarizado

Si la tensión V>0 Polarización directa

Si la tensión V>0 Polarización inversa

2. El diodo de unión:

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.2. DIODO DE UNI2.2. DIODO DE UNIÓÓNN

http://romux.com/projects/electronics/monolithic-ic-component-fabrication

http://www.circuitstoday.com/semiconductor-diodes-and-diode-symbol

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4María Jesús Martín Martínez : [email protected]

2.a. La unión PN en equilibrio (V=0)

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.2. DIODO DE UNI2.2. DIODO DE UNIÓÓNN

En el SC tipo P existen muchos huecos y pocos electrones, y en el SC tipo N hay muchos electrones y muy pocos huecos.

A temperatura ambiente, los huecos de la zona p pasan por difusión hacia la zona n y los e- de la zona n pasan a la zona p.

La difusión crea un exceso de carga negativa (electrones) en el lado P y exceso de carga positiva (huecos) en el lado N.

Debido a estos excesos de carga se crea, un campo eléctrico que produce corrientes de desplazamiento, que compensan a las de difusión Dando lugar a corriente total nula.

En equilibrio I = In + Ip =0en.wikipedia.org/wiki/P-n_junction

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5María Jesús Martín Martínez : [email protected]

2.a. La unión PN en equilibrio (V=0)

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.2. DIODO DE UNI2.2. DIODO DE UNIÓÓNN

en.wikipedia.org/wiki/P-n_junction

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6María Jesús Martín Martínez : [email protected]

En polarización Directa: El potencial aplicado externo se opone al campo

eléctrico que limita la difusión Disminuye el efecto del arrastre) y aumenta la difusión de portadores.

De electrones del lado N al P De huecos del lado P al N El resultado es una corriente neta elevada de

portadores mayoritarios hacia donde son minoritarios.

En polarización Inversa: El potencial externo refuerza el campo eléctrico de

arrastre. Las componentes de difusión son nulas. Aumentan las componentes de arrastre (trasladan

los minoritarios): son corrientes muy pequeñas que puede considerarse despreciables.

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.2. DIODO DE UNI2.2. DIODO DE UNIÓÓNN

2.b. La unión PN polarizada (V ≠ 0)

P N

V > 0

P N

V < 0

I

I=0x

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7María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Directa Inversa

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.2. DIODO DE UNI2.2. DIODO DE UNIÓÓNN

2.b. La unión PN polarizada (V ≠ 0)

ees.wikispaces.com ees.wikispaces.com

Explicación interactiva del funcionamiento del diodohttp://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/linearcircuits/diode.html

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8María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Analíticamente se puede encontrar una relación entre la corriente que circula por el mismo y la tensión externa que se aplica:

En polarización directa: V>0 podemos admitir que la exponencial es muy superior al “1”

En polarización inversa: V<0 podemos despreciar la exponencial frente al “1”.

e

BT

q

TkV =

VT(300 K) = 25.85 mV

kB (Cte de Boltzmann) = 1.38·10-23 JK-1

−=

−= 11 00

TKeV

VV

BT eIeII

I0: Corriente inversa de saturación (pocos nA)

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.2. DIODO DE UNI2.2. DIODO DE UNIÓÓNN

2.b. Unión PN polarizada. Curva Caracteristica (I-V)

VT : denominado potencial térmico

Característica estática (I-V) del diodo

TKeV

BeII 0=

0II −=

I

V

Curva analítica

I0

Inversa Directa

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9María Jesús Martín Martínez : [email protected]

La característica I-V de un diodo real es ligeramente diferente:

La corriente en inversa es prácticamente nula.

En directa existe un voltaje umbral Vγγγγ, que es una polarización mínima que hay que aplicar para que la unión esté en directa Característica desplazada hacia la derecha.

Para polarizaciones muy elevadas en inversa (inferiores a –VR) aparecen fenómenos de multiplicación de portadores la corriente se hace muy elevada

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.2. DIODO DE UNI2.2. DIODO DE UNIÓÓNN

2.b. Unión PN polarizada. Curva Caracteristica (I-V)

Característica REAL estática (I-V) del diodo

I

V

Curva REAL

Inversa Directa

VγγγγVR

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10María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Influencia de la temperatura

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.2. DIODO DE UNI2.2. DIODO DE UNIÓÓNN

2.b. Unión PN polarizada. Curva Caracteristica (I-V)

ees.wikispaces.com

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11María Jesús Martín Martínez : [email protected]

2.c. Comparativas de Curvas I-V de diodos reales

V [Volt.]

0

1

0.25-0.25

i [mA]

0.5

Ge Si

0 1-4

30

i [mA]

V [Volt.]

Ge

Si

-0.8

-0.5 0

i [µµµµA]

V [Volt.]

-10

-0.5 0

i [pA]

V [Volt.]

Ge Si

Ge: mejor en conducciónSi: mejor en corte

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.2. DIODO DE UNI2.2. DIODO DE UNIÓÓNN

www.uniovi.es/ate/manuel

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12María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Si la tensión de polarización inversa VVVVRRRRen la que se produce el fenómeno de conducción por avalancha es pequeña (en módulo) hablamos del diodo ZenerPara una tensión inversa dada, llamada tensión Zener, ésta se mantiene constante aunque la corriente varíe.En polarización directa funciona como un diodo normal.Su símbolo circuital:

2.d. Diodo Zener

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.2. DIODO DE UNI2.2. DIODO DE UNIÓÓNN

V

Tensión Zener

Tensión Zener

Vz

I

FFI-UPV.es

Page 13: TEMA 2. DISPOSITIVOS

13María Jesús Martín Martínez : [email protected]

En el modelo del diodo ideal se equipara éste a un cortocircuito o a un circuito abierto, según cómo estéconectado.

R

I I

I

1ª aproximación: diodo ideal

R

V

I

I. Curva Caracteristica (I-V). Modelos

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.2.b Modelado DIODO DE UNI2.2.b Modelado DIODO DE UNIÓÓNN

DIRECTA INVERSA

FFI-UPV.esFFI-UPV.es

Page 14: TEMA 2. DISPOSITIVOS

14María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Se considera que el diodo conduce sin resistencia por encima de la tensión umbral, y no conduce por debajo de la misma. Esto equivale a considerar un diodo como un interruptor o un diodo ideal en serie con un receptor.

VO= 0.3 V para el diodo de Ge

VO= 0.7 V para el de Si.

mA3.51

7.06=

−=

−=

kR

VVI

Of

VO V

I

R=1kΩVf = 6V

I VO=0.7 V

R=1kΩ

I

Vf = 6V

I. Curva Caracteristica (I-V). Modelos

2ª aproximación lineal

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.2.b Modelado DIODO DE UNI2.2.b Modelado DIODO DE UNIÓÓNN

DIRECTA

FFI-UPV.es

Page 15: TEMA 2. DISPOSITIVOS

15María Jesús Martín Martínez : [email protected]

La 3ª aproximación es un diodo ideal con una resistencia en serie y una fuente de tensión.

R=1kΩ

Vf = 6V IRd = 500 Ω

VO=0.7 V

mA5.35001000

7.06=

+

−=

−=

R

VVI

Of

R=1kΩ

Vf = 6V I

-0,05

0,05

0,15

V (V)

I (m

A)

Io-0,05

0,05

0,15

V (V)

I (m

A)

Io0,4 0,6 0,80,2 VO

V = Vo + IRd

∆V

∆IRd = ∆V/∆I

I. Curva Caracteristica (I-V). Modelos

3ª aproximación lineal

f

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.2.b Modelado DIODO DE UNI2.2.b Modelado DIODO DE UNIÓÓNN

DIRECTA

FFI-UPV.es

Page 16: TEMA 2. DISPOSITIVOS

16María Jesús Martín Martínez : [email protected]

I. Curva Caracteristica (I-V). Modelos

I

V

Solo tensión de codoGe = 0.3Si = 0.6

I

V

Tensión de codo yResistencia directa

I

V

Ideal

I

V

Curva real(simuladores, análisis gráfico)

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.2.b Modelado DIODO DE UNI2.2.b Modelado DIODO DE UNIÓÓNN

www.uniovi.es/ate/manuel

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17María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Ejercicios propuestos.

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.2. DIODO DE UNI2.2. DIODO DE UNIÓÓNN

D. Pardo, et al. 1999

Page 18: TEMA 2. DISPOSITIVOS

18María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Ejercicios propuestos.

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.2. DIODO DE UNI2.2. DIODO DE UNIÓÓNN

D. Pardo, et al. 1999

Page 19: TEMA 2. DISPOSITIVOS

19María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Ejercicios propuestos.

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.2. DIODO DE UNI2.2. DIODO DE UNIÓÓNN

D. Pardo, et al. 1999

Page 20: TEMA 2. DISPOSITIVOS

20María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Rectificador de media onda

Visualización de la característica

I-V de un diodo real

2.e. PRACTICA Nº 1. Laboratorio

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.2.b DIODO DE UNI2.2.b DIODO DE UNIÓÓNN

+UE R

iS

UE

Baja frecuencia

iS

iS

VR =is.R

VD

VR

VD

I

V

Curva REALVγγγγVR

VR =is.R

VD

Page 21: TEMA 2. DISPOSITIVOS

21María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Los transistores son:

Dispositivos de tres terminales La corriente o la tensión en un terminal

(terminal de entrada) Controla el flujo de la corriente entre los

otros dos terminales.

a. Introducción

3. El transistor bipolar de unión:

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.3. TRANSISTOR BIPOLAR DE UNI2.3. TRANSISTOR BIPOLAR DE UNIÓÓN (BJT)N (BJT)

ees.wikispaces.com

Page 22: TEMA 2. DISPOSITIVOS

22María Jesús Martín Martínez : [email protected]

3. El transistor bipolar de unión:

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.3. TRANSISTOR BIPOLAR DE UNI2.3. TRANSISTOR BIPOLAR DE UNIÓÓN (BJT)N (BJT)

www.alcatel-lucent.com

EmisorColector

Base

bellsystemmemorial.com

bellsystemmemorial.com

Page 23: TEMA 2. DISPOSITIVOS

23María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Colector Emisor Base

N P N

Colector Emisor Base

P N P

ColectorEmisor

Base

ColectorEmisor

Base

Base poco dopadaBase poco dopada

Emisor mEmisor máás dopado que colectors dopado que colector

b. Tipos de transistores bipolares

3. El transistor bipolar de unión:

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.3. TRANSISTOR BIPOLAR DE UNI2.3. TRANSISTOR BIPOLAR DE UNIÓÓN (BJT)N (BJT)

Page 24: TEMA 2. DISPOSITIVOS

24María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Las corrientes entre terminales dependen de las tensiones que se apliquen. Para un transistor NPN y tomando el terminal de emisor como referencia de tensión (el más usual):

c. Tensiones y corrientes

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.3. TRANSISTOR BIPOLAR DE UNI2.3. TRANSISTOR BIPOLAR DE UNIÓÓN (BJT)N (BJT)

VBE= VB – VE

VCE= VC- VE

B

E

C

IC

IE

IB

C

EVBE

VCEAplicando la ley de Kirchoff (corrientes que entran = corrientes que salen):

Se puede calcular la relación entre las corrientes de colector y de base:

IE= IB + IC

βF

: factor de ganancia en corriente BFCFBFC IIII βββ ≈++= 0)1(

Indica que la corriente de colector es proporcional a la de base

βF : 150-200 en transistores comerciales

Page 25: TEMA 2. DISPOSITIVOS

25María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Región de saturación

Región activa

Región de corte

IB = 0 µA

IB = 40 µA

IB = 20 µA

I C(

mA

)

VCE (V)

IB = 80 µA

IB = 60 µA

Ruptura

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.3. TRANSISTOR BIPOLAR DE UNI2.3. TRANSISTOR BIPOLAR DE UNIÓÓN (BJT)N (BJT)

c. Características de salida de un transistor NPN

La representación gráfica de la ecuación anterior:

0)1( CFC II β+=

FFI-UPV.es

Page 26: TEMA 2. DISPOSITIVOS

26María Jesús Martín Martínez : [email protected]

VBB= VBE + IB RB

VBE ≈ 0,7 V

VCC=VCE+ IC RC

A25,8116000

7,02µ=

−=

−=

B

BEBBB

R

VVI

Ic = βIB = 8,125 mA

RC =1 kΩ

RB=16 kΩ

VBE VCC=10 V

VBB = 2 VVCE

β = 100

IC

IB

d. Línea de carga: Cálculo del punto de operación

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.3. TRANSISTOR BIPOLAR DE UNI2.3. TRANSISTOR BIPOLAR DE UNIÓÓN (BJT)N (BJT)

VCE = VCC - IC RC =

10 - 8,125 = 1,875 V

Línea de carga

Si un transistor trabaja dentro de un circuito Se dice que el transistor está polarizado.

El conjunto de fuentes de tensión y resistencias se le denomina RED DE POLARIZACIÓN

Para resolverlo, se deben cumplir: Las características de salida Las ecuaciones de las mallas del circuito en que se encuentre:

FFI-UPV.es

Page 27: TEMA 2. DISPOSITIVOS

27María Jesús Martín Martínez : [email protected]

VBB (V) VCE (V) Ic (mA) IB (µµµµA)

0,7 10 0 00,8 9,375 0,625 6,250,9 8,75 1,25 12,5

1 8,125 1,875 18,751,2 6,875 3,125 31,251,4 5,625 4,375 43,751,6 4,375 5,625 56,251,8 3,125 6,875 68,75

2 1,875 8,125 81,252,2 0,625 9,375 93,752,3 0 10 100 Saturación

Corte

Reg

ión

activ

a

IC

VCEVCC = 10 V

C

CC

R

V

IB1

IB2

IB4

IB3

Q

Q

Q

línea de carga

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.3. TRANSISTOR BIPOLAR DE UNI2.3. TRANSISTOR BIPOLAR DE UNIÓÓN (BJT)N (BJT)

d. Línea de carga: Cálculo del punto de operación (II)

A25,81 µ=BI

Ic = 8,125 mA

VCE = 1,875 V

Punto de Operación Estacionario:

FFI-UPV.es

Page 28: TEMA 2. DISPOSITIVOS

28María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Ejercicio 4.

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.3. TRANSISTOR BIPOLAR DE UNI2.3. TRANSISTOR BIPOLAR DE UNIÓÓN (BJT)N (BJT)

d. Línea de carga: Cálculo del punto de operación (III)

D. Pardo, et al. 1999

Page 29: TEMA 2. DISPOSITIVOS

29María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Ejercicio 6.

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.3. TRANSISTOR BIPOLAR DE UNI2.3. TRANSISTOR BIPOLAR DE UNIÓÓN (BJT)N (BJT)

d. Línea de carga: Cálculo del punto de operación (III)

D. Pardo, et al. 1999

Page 30: TEMA 2. DISPOSITIVOS

30María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Ejercicio 7.

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.3. TRANSISTOR BIPOLAR DE UNI2.3. TRANSISTOR BIPOLAR DE UNIÓÓN (BJT)N (BJT)

d. Línea de carga: Cálculo del punto de operación (III)

D. Pardo, et al. 1999

Page 31: TEMA 2. DISPOSITIVOS

31María Jesús Martín Martínez : [email protected]

e. BJT en aplicaciones analógicas: Amplificador.

Circuito equivalente de pequeña señal:

BR

CR

CCV

BBV

)(tvi

)(tVBE

)(tVCE

)(tIC

)(tIB

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.3. TRANSISTOR BIPOLAR DE UNI2.3. TRANSISTOR BIPOLAR DE UNIÓÓN (BJT)N (BJT)

Para variaciones sobre el POE (amplificación de señales variables en el tiempo) debemos tener en cuenta: Que entre base y emisor tenemos una unión en directa. En colector las variaciones de corriente son proporcionales a la corriente de base. El conjunto de fuentes de tensión y resistencias se le denomina RED DE POLARIZACIÓN

Cuando usemos el BJT en un circuito como amplificador sustituiremos su símbolo por un “circuito equivalente” y el análisis resultará muy sencillo.

B

B

)(tvi

BR CR

πr

ci

+

bev

bi

bF i⋅β

E

CC

E

rππππ y ββββ (ganancia) son los parámetros del circuito.

Sedra/Smith 2004

Page 32: TEMA 2. DISPOSITIVOS

32María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Ejercicio 5.

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.3. TRANSISTOR BIPOLAR DE UNI2.3. TRANSISTOR BIPOLAR DE UNIÓÓN (BJT)N (BJT)

d. Línea de carga: Cálculo del punto de operación (III)

D. Pardo, et al. 1999

Page 33: TEMA 2. DISPOSITIVOS

33María Jesús Martín Martínez : [email protected]

La corriente ID entre el contacto de fuente y el de drenador (la conductancia o resistencia del semiconductor), puede ser modulada:

Mediante la variación de tensión en el electrodo de “puerta”. El electrodo de puerta está aislado eléctricamente del Silicio mediante un óxido (SiO2).

Transistor MOSFET de Canal N (NMOSFET)

El transistor de efecto de campo se comporta como un interruptor controlado por tensión, donde el voltaje aplicado a la puerta permite hacer que fluya o no corriente entre drenador y fuente.

a. Estructura de un transistor MOSFET

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.4. TRANSISTOR MOSFET2.4. TRANSISTOR MOSFET

http://en.wikipedia.org/wiki/File:MOSFET_functioning_body.svg

Page 34: TEMA 2. DISPOSITIVOS

34María Jesús Martín Martínez : [email protected]

DS G

p

DS G

n

Metal

Óxido

Semiconductor

MetalTipo N Tipo P

Formado por una placa de metal y un semiconductor, separados por una zona de óxido del semiconductor - por ejemplo SiO2 - de unos 100 nm de espesor. Dos regiones dopadas de dopaje contrario al semiconductor que forma el substrato.Posee tres electrodos:

Puerta, gate en inglés, simbolizado con G; que se conecta a la placa metálica. La corriente en la puerta es nula siempre

Fuente (Source) y drenador (Drain), ambos simétricos, que se internan en el sustrato.

nn p p

b. Tipos de transistores MOSFET

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.4. TRANSISTOR MOSFET2.4. TRANSISTOR MOSFET

FFI-UPV.es

Page 35: TEMA 2. DISPOSITIVOS

35María Jesús Martín Martínez : [email protected]

d. Modo de operación : tensión umbral

VT=valor de en el que comienza a haber unacorriente no nula de drenador.

Valores típicos de VT: 0.3 to 0.8 volts.

Existe un potencial en la puerta mínimo que debe superarse para que la corriente de drenador sea distinta de cero:

Por debajo del valor umbral (VGS<VT) no hay carga en el canal No hay conducción no hay corriente. ID=0.

Para valores de (VGS>VT) . Aparece la capa de inversión Es posible la conducción entre fuente y drenador

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.4. TRANSISTOR MOSFET2.4. TRANSISTOR MOSFET

Característica de transferencia

www.romux.com

Page 36: TEMA 2. DISPOSITIVOS

36María Jesús Martín Martínez : [email protected]

c. Transistor MOSFET: símbolo circuital

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.4. TRANSISTOR MOSFET2.4. TRANSISTOR MOSFET

Diferentes transistores MOSFET: signos de corriente en terminales, tensiones en terminales, etc.

D. Pardo, et al. 1999

Page 37: TEMA 2. DISPOSITIVOS

37María Jesús Martín Martínez : [email protected]

IB = 0 µA

IB = 40 µA

IB = 20 µA

I C(

mA

)

VCE (V)

IB = 80 µA

IB = 60 µA

d. Comparación de características de salida de BJT y MOSFET

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.4. TRANSISTOR MOSFET2.4. TRANSISTOR MOSFET

En la forma las características de los MOSFETs son análogas a las de los BJTs.

Eje x

BJT: tensión entre emisor y colector (VCE) MOSFET: tensión entre fuente y drenador (VDS)

Sin embargo, la diferencia está en el tercer terminal o terminal de control: BJT: controla la corriente de base MOSFET: controla la tensión de puerta.

Eje y

BJT: corriente de colector (IC) MOSFET: corriente de drenador (ID)

BJT MOSFET

FFI-UPV.es

Page 38: TEMA 2. DISPOSITIVOS

38María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Polarización. Análisis de la recta de carga.

Igual que ocurre en el BJT, debemos polarizar el MOSFET para tener entre sus terminales unas diferencias de potencial y unas corrientes determinadas.

e. Cálculo del Punto de Operación Estacionario (POE)

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.4. TRANSISTOR MOSFET2.4. TRANSISTOR MOSFET

Sedra/Smith 2004

laimbio08.escet.urjc.es/

Page 39: TEMA 2. DISPOSITIVOS

39María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Ejercicio 8.

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.4. TRANSISTOR MOSFET2.4. TRANSISTOR MOSFET

d. Línea de carga: Cálculo del punto de operación (II)

D. Pardo, et al. 1999

Page 40: TEMA 2. DISPOSITIVOS

40María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Circuito equivalente de pequeña señal:

Di+

GSv

DR

GGV

)(tvi

DR

DDV

)(tVGS)(tVDS

)(tID

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.4. TRANSISTOR MOSFET2.4. TRANSISTOR MOSFET

e. MOSFET en aplicaciones analógicas: Amplificador. Igual que en el caso del BJT, para variaciones sobre el POE (amplificación de señales

variables en el tiempo) debemos tener en cuenta:

Si aplicamos un incremento ∆∆∆∆VGS en la tensión de puerta, provocará un incremento fijo en la corriente de drenador: ∆ ∆ ∆ ∆ ID.

Podemos definir el parámetro TRANSCONDUCTANCIA:

Cuando usemos el MOSFET en un circuito como amplificador sustituiremos su símbolo por un “circuito equivalente” y el análisis resultará muy sencillo.

GS

Dm

V

Ig

∆=

GSvgm

G

S

D

G

D

S

)(tvi

Sedra/Smith 2004

Page 41: TEMA 2. DISPOSITIVOS

41María Jesús Martín Martínez : [email protected]

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS

a. Diodo emisor de luz: LED

2.5. DIODO LED2.5. DIODO LED

Como hemos estudiado, en una Unión P-N, en polarización Directa: Aumenta la difusión de portadores (desde

donde son mayoritarios, hasta donde son minoritarios).

En torno a la unión, aparecen unos excesos de portadores, que serán mayores cuanto más polarización en directa se aplique.

P N

V > 0

El exceso de portadores va a dar lugar PROCESOS DE RECOMBINACIÓN:

Tiene lugar una radiación de los electrones (al pasar de la BC a la BV) que pasa al exterior como radiación : fotones de energía: hυυυυ =GAP

El color de la luz del LED lo marca el GAP del semiconductor.

Este proceso se denomina Electroluminiscencia http://micro.magnet.fsu.edu/primer/lightandcolor/ledsintro.html

Page 42: TEMA 2. DISPOSITIVOS

42María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Cuando hay suficiente voltaje en directa aplicado entre extremos de la unión fluye la corriente:

Los electrones (y huecos) pasan de la región n (p) a la región p (n) por difusión

El LED se asemeja a un diodo normal, pero con importantes diferencias:

Un empaquetado transparente permitiendo que la energía (luz en el espectro del visible o el IR) pase a su través.

Area de la unión P-N muy grande.

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.5. DIODO LED2.5. DIODO LED

a. Diodo emisor de luz: LED Luego un LED es un dispositivo que consume energía eléctrica y nos devuelve

energía electromagnética.

http://static.howstuffworks.com/gif/led-diagram.jpghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7c/PnJunction-LED-E.PNG

Page 43: TEMA 2. DISPOSITIVOS

43María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Longitudes de onda de interés: Espectro electromagnético

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.5. DIODO LED2.5. DIODO LED

a. Diodo emisor de luz: LED

Imagen de dominio público

Page 44: TEMA 2. DISPOSITIVOS

44María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Para poder crear dispositivos en el rango del visible ha sido necesario “fabricar” semiconductores con gaps elevados.

hν (eV)3 1.6 0.8

λ (µm)0.4 0.7 1.6

visible comunicación

UV NIR MIR

sensores y procesado IRtérmico

GaPSiC GaAs Si GeEg (eV)

υε h=

λ

cf =

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.5. DIODO LED2.5. DIODO LED

b. Color de la luz de un LED

Page 45: TEMA 2. DISPOSITIVOS

45María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Para poder crear dispositivos en el rango del visible ha sido necesario “fabricar” semiconductores con gaps elevados.

IRtérmico

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.5. DIODO LED2.5. DIODO LED

b. Color de la luz de un LED

http://micro.magnet.fsu.edu/primer/lightandcolor/ledsintro.htmlhttp://micro.magnet.fsu.edu/primer/lightandcolor/ledsintro.html

Page 46: TEMA 2. DISPOSITIVOS

46María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Los diodos infrarrojos (IRED) se emplean desde mediados del siglo XX en mandos a distancia de televisores (hoy por hoy su uso se ha generalizado en general para aplicaciones de control remoto).

Fuentes de luz para aplicaciones de comunicacionesde fibra óptica

Los LEDs se emplean con profusión:

Indicadores de estado (encendido/apagado)

Dispositivos de señalización (de tránsito, de emergencia, etc.)

Paneles informativos (uno de los mayores del mundo, del NASDAQ,

36,6 metros de altura y está en Times Square, Manhattan).

c. Aplicaciones de los LEDs

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.5. DIODO LED2.5. DIODO LED

http://es.wikipedia.org/wiki/Led

Page 47: TEMA 2. DISPOSITIVOS

47María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Calculadoras

Alumbrado de pantallas LCD de teléfonos móviles

Agendas electrónicas, etc.

Fotodetectores para lecturas de códigos de barras.

Displays de 7 segmentos

Display LEDs para aplicaciones numéricas y alfanuméricas (a): Aplicación numérica de 7 barras

c. Aplicaciones de los LEDs

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.5. DIODO LED2.5. DIODO LED

http://alcancepublicitario.com/LED_Displays.jpg

http://www.robotroom.com/PWM/DisplayBrightnessLameSchematic.gif

Page 48: TEMA 2. DISPOSITIVOS

48María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Si en vez de usar una unón p-n, se utiliza una estructura semiconductora de heterouniones, podemos crear un LASER.

Cuando se inventó en 1960, se denominaron como "una solución buscando un problema a resolver". Desde entonces se han vuelto omnipresentes.

Las propiedades más importantes: Corriente umbral Eficiencia Potencia Rapidez “Monocromáticidad” Estabilidad Fiabilidad

d. LASER Semiconductor

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.5. DIODO LED2.5. DIODO LED

http://farm5.static.flickr.com/4122/4755943633_c35273a350_o.jpg

Page 49: TEMA 2. DISPOSITIVOS

49María Jesús Martín Martínez : [email protected]

El tamaño de los láseres varía ampliamente Diodos láser microscópicos

Láser de cristales de neodimio (tamaño similar al de un campo de fútbol): investigación sobre armas nucleares u otros experimentos físicos con altas densidades de energía

En bastantes aplicaciones, los beneficios de los láseres se deben a sus propiedades físicas:

la coherencia la alta monocromaticidad la capacidad de alcanzar potencias extremadamente

altas.

Ejemplo: un haz láser altamente coherente puede ser enfocado a unos pocos nanómetros. Esta propiedad permite al láser:

Grabar gigabytes de información en las microscópicas cavidades de un DVD o CD.

También permite a un láser de media o baja potencia alcanzar intensidades muy altas y usarlo para cortar, quemar o incluso sublimar materiales.

d. Aplicaciones del LASER

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.5. DIODO LED2.5. DIODO LED

http://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%A1ser

Page 50: TEMA 2. DISPOSITIVOS

50María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Se pueden encontrar en miles de variadas aplicaciones en cualquier sector de la sociedad actual:

Industrial Sistemas de alineamiento o localización (posicionamiento) Detección de bordes y medida de distancias. Mecanizado, soldadura o sistemas de corte. Tratamientos de calor para endurecimiento o recocido de superficies en

metalurgia o en chasis de automóviles.

Aplicaciones de diodos láser de alta potencia

d. Aplicaciones del LASER

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.5. DIODO LED2.5. DIODO LED

http://www.mtiinstruments.com/img/images/MicrotrakSpecDiagrams3Fig3.jpg

http://images.industrial.omron.eu

http://blog.photonic-products.com/wp-content/uploads/2007/11/laser_engraving_big.jpg

Page 51: TEMA 2. DISPOSITIVOS

51María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Científico: Contadores de partículas, Dispersión de luz, Análisis químicos,

Física atómica

Médico: Métodos de diagnóstico, Análisis de sangre

Posicionamiento de pacientes en sistemas de captación de imágenes médicas.

Como instrumento de corte y cauterización o para realizar fotocoagulación.

La electrónica de consumo

Tecnologías de la información (informática)

Artes gráficas: impresoras láser y equipos de oficinas

d. Aplicaciones del LASER

TEMA 2. DISPOSITIVOSTEMA 2. DISPOSITIVOS 2.5. DIODO LED2.5. DIODO LED

http://es.wikipedia.org/wiki/Disco_compacto

http://optima-prec.com/images/ldo.jpg

Page 52: TEMA 2. DISPOSITIVOS

52María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Referencias Pardo Collantes, Daniel; Bailón Vega, Luís A., “Elementos de

Electrónica”.Universidad de Valladolid. Secretariado de Publicaciones e Intercambio Editorial.1999.

http://www.esacademic.com/pictures/eswiki/68/Diode-photo.JPG http://ees.wikispaces.com/diodos http://en.wikipedia.org/wiki/P-n_junction http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/linearcircuits/diode.html http://www.circuitstoday.com/semiconductor-diodes-and-diode-symbol http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/64/Electronic_component_tran

sistors.jpg http://www.uniovi.es/ate/manuel (Manuel Rico Secades, Javier Ribas Bueno).

Area de tecnología electrónica. Universidad de Oviedo.

Universidad de Oviedo. Area de tecnología Electrónica (ATE). Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica, de Computadores y de Sistemas. Area de Tecnologia Electrónica. www.ate.uniovi.es/354/Trans01.ppt

http://erenovable.com/wp-content/uploads/2010/12/VarianteLED.jpg

http://www.alcatel-lucent.com/wps/portal/BellLabs

www.bellsystemmemorial.com/belllabs_transistor.html

Jose Antonio Gómez Tejedor. Apuntes Fundamentos Físicos de la Informática (FFI). Universidad Politécnica de Valencia. http://personales.upv.es/jogomez/ffi.html

Page 53: TEMA 2. DISPOSITIVOS

53María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Referencias Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith. Copyright 2004 by

Oxford University Press, Inc. http://en.wikipedia.org/wiki/File:MOSFET_functioning_body.svg www.romux.com/_files/image/projects/electronics/e-mosfet-tranfer-

characteristics-218x300.jpg http://romux.com/projects/electronics/monolithic-ic-component-fabrication http://laimbio08.escet.urjc.es/assets/files/docencia/AFE/Tema5FETAFE0910.pdf http://www.tech-faq.com/wp-content/uploads/images/integrated-circuit-layout.jpg http://static.howstuffworks.com/gif/led-diagram.jpg http://alcancepublicitario.com/LED_Displays.jpg http://www.robotroom.com/PWM/DisplayBrightnessLameSchematic.gif

http://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%A1ser

Computer desktop encyclopedia.

http://farm5.static.flickr.com/4122/4755943633_c35273a350_o.jpg

http://es.wikipedia.org/wiki/Disco_compacto

http://optima-prec.com/images/ldo.jpg