unidad i electronica de potencia

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Unidad I Materiales semiconductores.

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  • 1. Unidad I Materiales semiconductores.

2. MATERIALES SEMICONDUCTORES La mayor parte de los dispositivos electrnicos modernos estn fabricados a partir de semiconductores. Para comprender el funcionamiento de estos dispositivos cuando se insertan en un circuito elctrico, es necesario conocer el comportamiento de los componentes desde un punto de vista fsico. Por ello, en este tema se presentan las propiedades y caractersticas fundamentales de este tipo de materiales. Si los conductores son materiales que disponen de electrones libres y los aislantes carecen de ellos, los semiconductores se encuentran en una situacin intermedia: a la temperatura de 0 K se comportan como aislantes, pero mediante una aportacin de energa puede modificarse esta situacin, adquiriendo un comportamiento ms cercano al de los conductores. Los materiales semiconductores de uso comn en la tecnologa microelectrnica son el silicio, el germanio y el arseniuro de galio. Se trata de elementos del grupo IV de la tabla peridica, o bien combinaciones de elementos de los grupos III y V. De todos ellos, el ms empleado actualmente es el silicio, por lo que la discusin en este tema va a estar centrada en dicho elemento. No obstante la gran mayora de lo aqu expuesto puede aplicarse a cualquier semiconductor. 3. Los dispositivos semiconductores utilizados en Electrnica de Potencia se pueden clasificar en tres grandes grupos, de acuerdo con su grado de controlabilidad: 1. Dispositivos no controlados: en este grupo se encuentran los Diodos . Los estados de conduccin o cierre (ON) y bloqueo o abertura (OFF) dependen del circuito de potencia. Por tanto, estos dispositivos no disponen de ningn terminal de control externo. 2. Dispositivos semicontrolados: en este grupo se encuentran, dentro de la familia de los Tiristores, los SCR (Silicon Controlled Rectifier) y los TRIAC (Triode of Alternating Current). En ste caso su puesta en conduccin (paso de OFF a ON) se debe a una seal de control externa que se aplica en uno de los terminales del dispositivo, comnmente denominado puerta. Por otro lado, su bloqueo (paso de ON a OFF) lo determina el propio circuito de potencia. Es decir, se tiene control externo de la puesta en conduccin, pero no as del bloqueo del dispositivo. 3. Dispositivos totalmente controlados: en este grupo encontramos los transistores bipolares BJT (Bipolar Junction Transistor), los transistores de efecto de campo MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), los transistores bipolares de puerta aislada IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) y los tiristores GTO (Gate Turn-Off Thyristor), entre otros. En los siguientes apartados se detallan las caractersticas ms importantes de cada uno de estos dispositivos. 4. DISPOSITIVOS NO CONTROLADOS DIODO: El diodo es el interruptor electrnico ms simple. No se puede controlar, son las tensiones e intensidades del circuito los que determinan los estados de conduccin y corte. En conduccin pueden soportar una corriente media de 3000A llegando hasta tensiones inversas de 5000V. El Si es el elemento semiconductor ms empleado . Los diodos de potencia tienen una estructura ms compleja que los de baja potencia. El paso de un estado a otro no es instantneo y en dispositivos en los se trabaja a alta frecuencia, es muy importante el tiempo de paso entre estados, puesto que ste acotar las frecuencias de trabajo. *Polarizacin Directa El nodo se conecta al positivo de la batera y el ctodo al negativo. El diodo conduce con una cada de tensin de 0,6 a 0,7V. El valor de la resistencia interna seria muy bajo. Se comporta como un interruptor cerrado Curva caracterstica VRRM: tensin inversa mxima VD: tensin de codo. 5. A continuacin vamos a ir viendo las caractersticas ms importantes del diodo, las cuales podemos agrupar de la siguiente forma: *Caractersticas estticas: Parmetros en bloqueo (polarizacin inversa). Tensin inversa de pico de trabajo (VRWM): es la que puede ser soportada por el dispositivo de forma continuada, sin peligro de entrar en ruptura por avalancha. Tensin inversa de pico repetitivo (VRRM): es la que puede ser soportada en picos de 1 ms, repetidos cada 10 ms de forma continuada. Tensin inversa de pico no repetitiva (VRSM): es aquella que puede ser soportada una sola vez durante 10ms cada 10 minutos o ms. Tensin de ruptura (VBR): si se alcanza, aunque sea una sola vez, durante 10 ms el diodo puede destruirse o degradar las caractersticas del mismo. Tensin inversa contnua (VR): es la tensin continua que soporta el diodo en estado de bloqueo. 6. -Parmetros en conduccin: Intensidad media nominal (IF(AV)): es el valor medio de la mxima intensidad de impulsos sinusuidales de 180 que el diodo puede soportar. Intensidad de pico repetitivo (IFRM): es aquella que puede ser soportada cada 20 ms , con una duracin de pico a 1 ms, a una determinada temperatura de la cpsula (normalmente 25). Intensidad directa de pico no repetitiva (IFSM): es el mximo pico de intensidad aplicable, una vez cada 10 minutos, con una duracin de 10 ms. Intensidad directa (IF): es la corriente que circula por el diodo cuando se encuentra en el estado de conduccin. Modelos estticos del diodo 7. Los distintos modelos del diodo en su regin directa (modelos estticos) se representan en la figura superior. Estos modelos facilitan los clculos a realizar, para lo cual debemos escoger el modelo adecuado segn el nivel de precisin que necesitemos. Estos modelos se suelen emplear para clculos a mano, reservando modelos ms complejos para programas de simulacin como PSPICE. Dichos modelos suelen ser proporcionados por el fabricante, e incluso pueden venir ya en las libreras del programa. 8. Dioso para baja frecuencia Diodos de conmutacin rpida (Fast y Ultrafast Diodos Schottky Diodos de alta tensin Diodos de alta corriente Tipos de diodos. 9. Electrnica de potencia. Es la parte de la electrnica encargada del estudio de sispositivos, circuitos, sistemas y procedimientos para el procesado, control y conversin de la energa elctrica. Dispositivos semiconductores de potencia 1. NO CONTROLADOS. Diodos (ON OFF) 2. SEMICONTROLADOS TIRISTORES SCR TRIAC 3. TOTALMENTE CONTROLADOS BJT MOSEFET IGBT GTO 10. DIODO DE POTENCIA Estructura P-N Posee regin N intermediaria para soportar alta Circulacin de I en un solo sentido. Soporta tensiones orden de Kv y corrientes ordenadas En rgimen transitorio: Recuperacin Inversa. Recuperacin Directa. 11. TIPOS DE DIODOS Schottly. Cadas de tensin muy pequeas. No tensiones inversas. Recuperacin Rpida. Circuitos de frecuencia elevada. Tiempos de recuperacin pequeo. Rectificador. Circuitos de frecuencia la tensin pequea. TIRISTORES Estrutura de cuatro capas (PNPN) Control por una seal OFF ON TIPOS: SCRs TRIACc. 12. SCR Soporta mayores Is inversas Formado por cuatro capas (PNPN) Control por una seal OFF ON Tres terminales nodo Ctodo puerto Incapaz de bloquear tensiones elevadas. Caractersticas: Bloqueo de tensin directa, no conduce corriente. Activa a pulso en puerta. Al conducir se mantiene Constante (ON) 13. SCR Regiones de Funcionamiento: Zona de bloqueo inverso (Diodo) Zona de bloqueo directo. (ciruito abierto) Zona de conduccin. (Interruptor) Activacin y Bloqueo Tensin excesiva. (Polarizacin directa) Pulso en puerta (corriente de puerta) Derivacin de tensin. Temperatura. Luz. (tensin A-K por radiacin) 14. TRIAC Tres Terminales. (A-k-G) Podemos controlar los sentidos de circulacin Comporta como SRC anti paralelo Tensiones y corrientes diferentes para producir transicin. GTO Para bloquear interruptores en cualquier momento. Control mediante puerta (bloqueo a conduccin y viceversa) Estructura de cuatro capas. Activacin similar al SCR. Funcionamiento: Fcil extraccin de portadores por puerta. Prdida de portadores en capas centrales. Soporta tensin inversa C-K. Absorcin de portadores de la superficie conductora (G-K) No bloquea tensiones inversa. 15. TRANSISTORES Utilizan como interruptores. Trabajan en zonas de saturacin o corte. Son totalmente controlados. TIPOS DE TRASMISORES: BJT MOSFET DISPOSITIVOS HBRIDOS IGBT TRANSITOR BIPOLAR DE POTENCIA (BJT) * Son interruptores de potencia controlado por corriente. 16. CARACTERSTICAS Fcil de controlar por el terminal de la base. Ventaja: * Baja cada de tensin en saturacin. Inconvenientes: * Poca cada con tensiones y/o corrientes grandes * Tiempo de almacenamiento y fenmeno avalancha. ZONAS DE FUNCIONAMIENTO. Corte: Se activa como interruptor abierto. Activa: La corriente del colector es proporcional a la de la base. Saturacin: Se comporta como interruptor cerrado casa ideal 17. CONEXIN DARLINGTON Ganancia de corriente: T2 no se satura ya que su unin esta siempre inversamente polarizada. 18. MOSFET (Metal- Oxid- Semiconductor- Field Effect Transistor) Son transistores que pueden controlar por tensin. Tipos * Canal N * Canal P ZONAS DE TRABAJO Corte: La tensin puerta y fuente es mas pequea que la tensin umbral ( interruptor abierto) Ohmica: El transistor se comporta como interruptor cerrado con RON Saturacin: Se comporta como interruptor cerrado. 19. CARACTERSTICAS Inconveniente: La potencia a manejar es bastante reducida. Son los transistores ms rpidos (alta velocidad de conmutacin) Inconveniente: RON vara mucho con la temperatura, por ende la corriente que por el circula. Facilita de control gracias al aislamiento de puerta. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Rene la facilidad de disparo de los MOSFET`s con las pequeas prdidas en la conduccin de los BJTs 20. CARACTERSTICAS Control por tensin relativamente sencillo. Entre colector y emisor hay un comportamiento tipo bipolar. Tiene alta impedancia de entrada Baja prdidas de conduccin. 21. 1. ESTRUCTURA DEL SILICIO El silicio es un elemento con una gran cantidad de aplicaciones. Es el segundo elemento ms abundante en la corteza terrestre (despus del oxgeno) con un porcentaje en peso del 25,7%. Est presente en multitud de materiales, tan diversos como la arena, la arcilla, el vidrio o el hueso. El silicio puro no se encuentra en la naturaleza, pero bajo las condiciones adecuadas pueden obtenerse en forma de estructuras monocristalinas. En stas los tomos se disponen segn una red tipo diamante con simetra cbica, en donde cada tomo forma enlaces covalentes con otros cuatro adyacentes. As todos los tomos tienen la ltima rbita completa con ocho electrones (Figura 1). Figura 1: Estructura cristalina del silicio puro. En la figura se aprecia que todos los electrones de valencia estn asociados a un enlace covalente. Por tanto, al no existir portadores libres, el silicio puro y monocristalino a 0 K se comporta como un material aislante. 22. 2. PORTADORES DE CARGA. EL ELECTRON Y EL HUECO En los materiales conductores la circulacin de corriente es posible gracias a la existencia de electrones libres. En los semiconductores tambin son los electrones los responsables de la corriente. Sin embargo, puesto que en este caso provienen de un enlace covalente y no de una nube electrnica, el fenmeno es ms complejo, y para su explicacin se introduce un nuevo portador de carga ficticio: el hueco. 2.1 GENERACION TERMICA DE PORTADORES. EL ELECTRON Y EL HUECO. Si se eleva la temperatura del monocristal de silicio por encima de 0 K, parte de la energa trmica permite liberar alguno de los electrones. Ello produce dos efectos: a. Aparece un electrn libre capaz de moverse a travs de la red en presencia de un campo elctrico. b. En el tomo al que se asociaba el electrn aparece un defecto de carga negativa, es decir, una carga positiva, que se denomina hueco. 23. Globalmente, el cristal mantiene la neutralidad elctrica, ya que no ha ganado ni perdido cargas. Cuando se producen electrones libres en un semiconductor nicamente por agitacin trmica, existen huecos y electrones en nmeros iguales, porque cada electrn trmicamente excitado deja detrs de s un hueco. Un semiconductor con un nmero igual de huecos y electrones se denomina intrnseco. Recapitulando, los semiconductores se diferencian: de los aislantes: La energa para liberar un electrn es menor en el semiconductor que en el aislante. As a temperatura ambiente el primero dispone ya de portadores libres. de los conductores: Los semiconductores poseen dos tipos de portadores de carga: el electrn y el hueco. En el caso del silicio puro monocristalino, el nmero de portadores libres a temperatura ambiente es lo suficientemente bajo como para asegurar una alta resistividad. 24. 2.2 RECOMBINACION DE PARES ELECTRON-HUECO Tal y como se acaba de explicar, el hueco es un enlace covalente "no satisfecho". Si un electrn atraviesa la zona en la que se encuentra el hueco puede quedar atrapado en l. A este fenmeno se le denomina recombinacin, y supone la desaparicin de un electrn y de un hueco. Sin embargo, como en el caso anterior, el material mantiene su neutralidad elctrica. 2.3 IMPURIFICACION O DOPADO DE LOS SEMICONDUCTORES En un semiconductor intrnseco las concentraciones de huecos y de electrones pueden alterarse mediante la adicin de pequeas cantidades de elementos llamados impurezas o dopantes, a la composicin cristalina. Como veremos a lo largo de este curso, es esta caracterstica de los semiconductores la que permite la existencia de circuitos electrnicos integrados. La cuestin es: Qu sucede si adems de elevar la temperatura por encima de 0 K consideramos la presencia de impurezas en el silicio?. Supongamos que sustituimos un tomo de silicio (que pertenece al grupo IV) por otro de fsforo (grupo V), pentavalente. Como slo hay la posibilidad de establecer cuatro enlaces covalentes con los tomos de silicio adyacentes, un electrn quedar libre. Teniendo en cuenta esto, es fcil deducir que es lo que ocurrir si se sustituye un tomo de silicio por otro de un elemento perteneciente al grupo III, el boro por ejemplo: evidentemente se introducir un hueco, ya que el boro solo aporta tres electrones de valencia. Las dos situaciones se clarifican en la Figura 2. 25. Figura 2: Introduccin de impurezas en el silicio Si la introduccin de impurezas se realiza de manera controlada pueden modificarse las propiedades elctricas en zonas determinadas del material. As, se habla de dopado tipo P N (en su caso, de silicio P N) segn se introduzcan huecos o electrones respectivamente. Centrmonos ahora en el silicio tipo P. En la prctica, a temperatura mayor que cero este material estar formado por: Huecos procedentes del dopado. Huecos procedentes de la generacin trmica de pares e-/h+. Electrones procedentes de la generacin trmica de pares e-/h+. Electrones y huecos procedentes de impurezas no deseadas. 26. Habitualmente, a temperatura ambiente, el nivel de dopado es tal que los huecos procedentes de l superan en varios rdenes de magnitud al resto de portadores. Ello confiere el carcter global P del material. Sin embargo, ha de tenerse en cuenta que existen electrones. En este caso, los huecos son los portadores mayoritarios, y los electrones los minoritarios. Si se trata de un material de tipo N, los portadores mayoritarios sern los electrones, y los minoritarios los huecos. Con la tabla siguiente se pretende rematar estos conceptos. Material Portadores mayoritarios Portadores minoritarios Silicio Puro - - Silicio tipo P Huecos Electrones Silicio tipo N Electrones Huecos Hay que resaltar nuevamente que el dopado no altera la neutralidad elctrica global del material. 27. 3 INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA SOBRE LOS SEMICONDUCTORES Al presentar el concepto de portadores mayoritarios y minoritarios se ha asumido una hiptesis de trabajo: que a temperatura ambiente (25C) la concentracin de portadores provocada por generacin trmica es mucho menor que la causada por los dopados. Pues bien, si se eleva la temperatura sobre la de ambiente se aumentar la tasa de pares electrn/hueco generados. Llegar un momento en el que, si la temperatura es lo suficientemente elevada, la cantidad de pares generados enmascare a los portadores presentes debidos a la impurificacin. En ese momento se dice que el semiconductor es degenerado, y a partir de ah no se puede distinguir si un material es de tipo N P: es la temperatura a la cual los dispositivos electrnicos dejan de operar correctamente. En el caso del silicio, esta temperatura es de 125 C. 28. 4 CONDUCCION ELECTRICA EN SEMICONDUCTORES Dada la especial estructura de los semiconductores, en su interior pueden darse dos tipos de corrientes: Corrientes por arrastre de campo Corrientes por difusin. En los siguientes subapartados se explica cada unos de estos tipos de conduccin. 29. CORRIENTE POR ARRASTRE DE CAMPO Supongamos que disponemos de un semiconductor con un cierto nmero de electrones y de huecos, y que aplicamos en su interior un campo elctrico. Veamos que sucede con los portadores de carga: Electrones libres: Obviamente, la fuerza que el campo elctrico ejerce sobre los electrones provocar el movimiento de estos, en sentido opuesto al del campo elctrico. De este modo se originar una corriente elctrica. La densidad de la corriente elctrica (nmero de cargas que atraviesan la unidad de superficie en la unidad de tiempo) depender de la fuerza que acta (qE), del nmero de portadores existentes y de la "facilidad" con que estos se mueven por la red, es decir: Je = en(qE) en donde: Je = Densidad de corriente de electrones e = Movilidad de los electrones en el material n = Concentracin de electrones q = Carga elctrica E = Campo elctrico aplicado La movilidad e es caracterstica del material, y est relacionada con la capacidad de movimiento del electrn a travs de la red cristalina. 30. Huecos: El campo elctrico aplicado ejerce tambin una fuerza sobre los electrones asociados a los enlaces covalentes. Esa fuerza puede provocar que un electrn perteneciente a un enlace cercano a la posicin del hueco salte a ese espacio. As, el hueco se desplaza una posicin en el sentido del campo elctrico. Si este fenmeno se repite, el hueco continuar desplazndose. Aunque este movimiento se produce por los saltos de electrones, podemos suponer que es el hueco el que se est moviendo por los enlaces. Este ltimo prrafo se entiende a la perfeccin con Figura 3. Figura 3: Movimiento de los huecos debido al movimiento de los electrones 31. La carga neta del hueco vacante es positiva y por lo tanto, se puede pensar en el hueco como una carga positiva movindose en la direccin del campo elctrico. Obsrvese que los electrones individuales de enlace que se involucran en el llenado de los espacios vacantes por la propagacin del hueco, no muestran movimiento continuo a gran escala. Cada uno de estos electrones se mueve nicamente una vez durante el proceso migratorio. En contraste, un electrn libre se mueve de forma continua en la direccin opuesta al campo elctrico. Anlogamente al caso de los electrones libres, la densidad de corriente de huecos viene dada por: Jh = hp(qE) en donde: Jh = Densidad de corriente de huecos h = Movilidad de los huecos en el material p = Concentracin de huecos q = Carga elctrica del hueco: igual y de signo opuesto a la del electrn E = Campo elctrico aplicado. La movilidad h es caracterstica del material, y est relacionada con la capacidad de movimiento del hueco a travs de los enlaces de la red cristalina. La "facilidad" de desplazamiento de los huecos es inferior a la de los electrones. 32. Consideremos ahora el caso de un semiconductor que disponga de huecos y electrones, al que sometemos a la accin de un campo elctrico. Hemos visto cmo los electrones se movern en el sentido opuesta a la del campo elctrico, mientras que los huecos lo harn en segn el campo. El resultado es un flujo neto de cargas positivas en el sentido indicado por el campo, o bien un flujo neto de cargas negativas en sentido contrario. En definitiva, se mire por donde se mire, la densidad de corriente global es la suma de las densidades de corriente de electrones y de huecos: J = Jh + Je = hp(qE) + en(qE) CONDUCCION POR DIFUSION DE PORTADORES Antes de entrar en el fenmeno de conduccin por difusin vamos a explicar el concepto de difusin. Imaginad (el que no tenga mucha imaginacin que mire la Figura 4) que tenemos una caja con dos compartimentos separados por una pared comn. En un compartimento introducimos un gas A, y en el otro un gas B. 33. Figura 4: Difusin de dos gases a travs de una membrana porosa. Si en un momento determinado se abre una comunicacin entre las dos estancias parte del gas A atravesar la pared para ocupar el espacio contiguo, al igual que el B. El resultado final es que en ambas estancias tendremos la misma mezcla de gases A+B. La difusin de partculas es un mecanismo de transporte puramente estadstico, que lleva partculas "de donde hay ms, a donde hay menos", siempre que no haya ninguna fuerza externa que sea capaz de frenar dicho proceso. Matemticamente puede expresarse esta idea mediante la primera ley de Fick, que establece que el flujo de partculas que atraviesa una superficie (J partculas/s/m2) es proporcional al gradiente de concentracin (c partculas/m3) de dichas partculas: 34. A la constante de proporcionalidad se le denomina difusividad, y tiene dimensiones de m2/s. Qu aplicacin tiene esto a la conduccin en los semiconductores?. Piensa en lo qu sucedera si, por las razones que sean, tuviramos un semiconductor tipo P cuya concentracin de huecos no fuera constante, sino variable segn la direccin x. Los huecos tendern a emigrar de la regin de alta concentracin a la de baja concentracin. Esta migracin de portadores, que se muestra en la Figura 5, es un proceso puramente estadstico, originado por el movimiento trmico aleatorio de los portadores. No est relacionado con la carga de los mismos o con la presencia de ningn campo elctrico. Figura 5: Densidad de corriente de difusin de huecos 35. La difusin no depende del valor absoluto de la concentracin de portadores, sino de solamente de su derivada espacial, es decir, de su gradiente. En los metales, la difusin no es un proceso de importancia, porque no existe un mecanismo mediante el cual se pueda generar un gradiente de densidad. Dado que un metal nicamente hay portadores negativos de carga, cualquier gradiente de portadores que se pudiera formar desequilibrara la neutralidad de la carga. El campo elctrico resultante creara una corriente de arrastre, que de manera instantnea anulara el gradiente antes de que pudiera darse la difusin. Por contra, en un semiconductor hay portadores positivos y negativos de carga, por lo que es posible la existencia de un gradiente de densidad de huecos y de electrones, mientras se mantiene la neutralidad de la carga. 36. En un semiconductor, los componentes de la densidad de corriente de difusin pueden expresarse de forma unidimensional mediante la ecuacin: en donde: Jdifusin = Densidad de corriente de difusin q = Carga del electrn De, Dh = Difusividad de los electrones y de los huecos n = Concentracin de electrones p = Concentracin de huecos El segundo trmino de la expresin tiene signo negativo porque la pendiente negativa de los huecos da lugar a una corriente de los huecos.