tema 4. dispositivos electrónicos
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FUNDAMENTOS FISICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 1
Grado en Ingeniería Informática
Tema 4. Dispositivos Electrónicos
4.1.4.1.-- Conceptos bConceptos b áásicos de semiconductores. sicos de semiconductores. UniUni óón PNn PN
4.2.4.2.-- El El DiodoDiodo
4.3.4.3.-- El El Transistor MOSFET Transistor MOSFET
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Estructura del Si enlaces covalentes
T=0ºK
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T=300ºK
A temperatura ambiente
Hueco
Electrón
n: concentración de electrones
p: concentración de huecosn=p
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Si dopado con impurezas donadorasP: FosforoAs: ArsenicoSb: Antimonio
Semiconductor tipo N n>p
ND: concentración de impurezas donadoras
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Si dopado con impurezas aceptadoras
Semiconductor tipo P
n<p
B: Boro
Al: Aluminio
Ga: GalioNA: concentración de impurezas donadoras
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Unión PN
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Equilibrio Directa Inversa
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4.2 Diodo y transistor BJT
4.2.1 Diodo
Un diodo de unión es una unión P-N con dos contactos óhmicos
exteriores.
Su símbolo es:
_
- -
- -
- -
- -
+ ++++ ++++
+P N
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Su característica, en primera aproximación:
Vamos a trabajar con modelos más sencillos, modelos lineales.
−= 1T
D
V
V
SD eII
A10
)K300( mV26
14−=
==
s
T
I
q
kTV
VD
ID
VV 7.06.0 −≈γ
VT: tensión térmicak: Cte. de BolztmanT: temperatura absolutaq: carga del electrónIS: corriente inversa de saturación
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Los modelos que se suelen utilizar son:
Modelos lineales
Modelo 1
si VD < 0 => ID =0
si VD > 0 => ID >0
Es un buen modelo si γVVD >>
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Modelo 2
Tensión constante entre los extremos del diodo:
00 >⇒>=⇒< DDDD IVVsiIVVsi γγ
γV
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Modelo 3
Tensión variable entre los extremos del diodo:
( )d
DD
dDD
r
VVI
rIVV
γ
γ
−=
⋅+=
00 >⇒>=⇒< DDDD IVVsiIVVsi γγ
γVdr
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Según estos modelos en inversa es capaz de aguantar cualquier tensión,
sin embargo, en directa el valor que aguanta el diodo es como mucho, un
poco superior a VD , ya que con intensidades provocadas por
tensiones mayores el dispositivo se fundiría.
( )γ
V
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Métodos de resoluciónVamos a ver 3 métodos, dos de ellos con el diodo real y el último (el más
utilizado) con los modelos lineales.
Para ello vamos a resolver el siguiente problema:
¿vD?¿ID?
Nota : en todos los circuitos
I (mA) y R (KΩ)
mV26
mA10
KΩ1
V5
11
==
==
−
T
S
DD
V
I
R
VDatos:
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Método analítico (diodo real)
( ) ( ) DVV
SVVSD
DDVeI
eII
VKITD
TD+−=⇒
−=
+⋅=15
1
1V5/
/
( )15 / −−= TD VVSD eIV
mA3.4
V696.0
==
D
D
I
V
Circuito:
Dispositivo:
Sustituimos VD=0.65 V en la exponencial y calculamos VD. Repetimos hasta obtener la precisión requerida. Si lo hacemos en este ejemplo nos queda:
diodo real
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Método gráfico (diodo real)
Consiste en colocar las dos ecuaciones de la recta en una gráfica y calcular el punto de corte.
R
V
R
VI DDD
D +−=
( )1/ −= TD VVSD eII
diodo real
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Método lineal (modelo 3)
¿Cómo estáel diodo?
SuposiciónOFF u ON
Calculamos el resultado
¿Coincide consuposición?
Suposición correcta
Suposición falsa
si no
⇒>=⇒=⋅=⇒= γVVRIVI DRD V500
En nuestro circuito, supongamos que D OFF:
D ON
Así que la suposición D OFF era falsa.
D ON, por lo tanto según nuestro modelo:
d
DDDdDD
DDDD
rR
VVIrIVI
VRIV
+−
=⇒⋅++⋅=
+⋅=
γγ15
V693.0
mA307.4
==
D
D
V
I
modelo 3
Ω=
=
10
V65.0
dr
Vγ
Tomando los valores:
⇒
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Aplicaciones del diodoLimitador
Para que D ON V65.7≈oV
a) Supongamos que Vi es baja de modo que D OFF
( )io
o
i VVVI
IV
101
100100
1100=⇒
⋅=+=
II
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b) Supongamos que Vi aumenta → Vo aumenta (todavía D OFF)
Esta situación sigue así hasta que V73.7100
101V65.7 ==⇒= oio VVV
c) Para Vi > 7.73 V D ON
100101100
100101100
65.7
100
65.7
1
d
di
do
o
d
ooi
r
rV
rV
V
r
VVV
++
+=
+−=−
γV
modelo 3
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Nosotros usualmente tomamos 0=dr
↑−=↑⇒=R
VVIVfijoV oi
io 1KSiV65.7
y como es constante, pasa más corriente por DK100100
oK
VI =
D OFF D ON
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Rectificador de media onda: modelo 2 para el diodo
Para que D ON γVVi >
a) Supongamos que Vi es baja de modo que D OFF 00 =⇒= oD VI
b) Supongamos que Vi aumenta ¿hasta cuando dura la situación anterior?
Esta situación sigue así hasta que V65.0>iV
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c) A partir de Vi = 0.65 V D ON
modelo 2γV
Para una señal alterna
Vo
Vi
t
V65.0
V65.0OND V65.0
V00OFFD V65.0
−=−=⇒⇒=>
≈⋅=⇒≈⇒⇒=<
iioi
DoDi
VVVVVV
RIVIVV
γγ
γ
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Rectificador de media onda: modelo 1 (ideal) para el diodo
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Grado en Ingeniería Informática
Rectificador de media onda: modelo 3 para el diodo
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Diodo ZenerEs un caso particular del diodo. El Zener tiene la propiedad de conducir también bajo polarización inversa a partir de una cierta tensión Vz .
Símbolo
Característica ID -VD
ID
tγV
zV
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4.3. Transistor MOSFET
El transistor MOSFET se corresponde con el siguiente dispositivo:
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SÍMBOLO DEL NMOS :
Símbolo de un transistor MOS de canal N de enriquecimiento
(Vt > 0).
Símbolo de un transistor MOS de canal P de enriquecimiento
(Vt < 0).
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Símbolo de un transistor MOS de canal N de deplexión. Igual que el dispositivo de enriquecimiento pero con Vt < 0.
canal del longitud:
canal del anchura :
puerta de óxido decapacidad:
movilidad:
ctanciatranscondu:
L
W
C
L
WCkk
ox
n
oxnnn
µ
µ ⋅=
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MODOS DE OPERACIÓN DEL NMOS
1) NMOS OFF
0OFFNMOS =⇒< DTnGS IVV
2) NMOS ON
⇒≠⇒⇒>saturaciónb)
lineala)0ONNMOS DTnGS IVV
a) Triodo (lineal)
( ) ( )[ ]2
21
DSDSTGSnDSTnGSDS VVVVkIVVV −−=−<
b) Saturación
( ) ( )2
2 TGSn
DSTnGSDS VVk
IVVV −=−≥
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Característica ID - VDS para un MOSFET con Vt = 1V.
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Característica ID - VGS para un MOSFET con Vt = 1V.
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MODOS DE OPERACIÓN DEL PMOS
0OFFPMOS =⇒> DTpGS IVV
⇒≠⇒⇒<saturaciónb)
lineala)0ONPMOS DTpGS IVV
( ) ( )[ ]2
21
DSDSTpGSpSDTpGSDS VVVVkIVVV −−=−>
b) Saturación
( ) ( )2
2 TpGSp
SDTpGSDS VVk
IVVV −=−≤
1) PMOS OFF
2) PMOS ON
a) Triodo (lineal)
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Ejemplo:
VVA
:Datos
2
2
1040 6
=
⋅= −
TV
K
G Vcalcular a Vamos
0=⇒ GI OFF NMOS Suponemos 1)
ONNMOS6VKK250
VK
100KK150V
⇒=⋅=⋅=+
= 10015
100,15
11 iVi G
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( ) ( )
⋅−+⋅=
⋅+=+⋅=
−=
⋅+=⋅++⋅=
=⇒
− )3(441020
)2(56
)1(4515
2
262 GSGSD
DGS
DSD
TGSn
D
SDGSG
SDDSDDCC
S
VVI
KIV
VKI
VVk
I
RIVV
RIVRIV
II saturación suponer a s Vamo ON NMOS 2) D
( ) 05664410206
:)3()2(
226 =−⋅+⇒⋅−+⋅=− −GSGSGSGS
S
GS
D
VVVVR
V
I con igualando ede despejando
=⇒=⇒
=negativovalor
V(1) demAV 54.61844.006.5 DSDGS
VIV
correctasuposición
:correcta es saturación de suposición la si comprobar a vamos
06.3206.554.6 =−>⇒−> TGSDS VVV