Análisis de Diodos y Transistores: Apuntes de Electrónica, Apuntes de Electrónica

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Dispositivos Electrónicos

FACULTAD DE

INGENIERÍA

Mónica Liliana González

Libros de Cátedra

DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS

Mónica Liliana González

Facultad de Ingeniería

• PRESENTACIÓN _________________________________________________________
• Generalidades ___________________________________________________________ Capítulo 1: Diodo
• Análisis de un circuito con diodo ______________________________________________
• Modelos equivalentes en corriente continua ____________________________________
• Efectos capacitivos ____________________________________________________
• Apartamiento de la característica ideal del diodo _______________________________
• Efectos de la temperatura _________________________________________________
• Encapsulado ____________________________________________________________
• Modelo SPICE del diodo __________________________________________________
• Circuitos de aplicación básicos: recortador a un nivel de tensión ___________________
• Circuito recortador a dos niveles ____________________________________________
• Rectificadores ___________________________________________________________
• Rectificadores con filtros __________________________________________________
• Efecto de la capacitancia sobre la tensión de salida _____________________________
• Hojas de datos de diodos __________________________________________________
• Diodo en conmutación_____________________________________________________
• Diodo Zener ____________________________________________________________
• Regulador con Diodo Zener ________________________________________________
• Generalidades __________________________________________________________ Capítulo 2: Transistor Bipolar de Unión
• Características físicas ____________________________________________________
• Modos de operación _____________________________________________________
• Análisis cualitativo de las componentes de corriente en un BJT ___________________
• Parámetros de rendimiento estático __________________________________________
• Modelos equivalentes para corriente continua _________________________________
• Características estáticas tensión- corriente (Transistor bipolar ideal) _______________
• Polarización del Transistor Bipolar ___________________________________________
• Circuitos de polarización _________________________________________________
• El transistor bipolar de unión como amplificador ________________________________
• Modelo equivalente para análisis con pequeña señal ___________________________
• en la configuración de Emisor Común ________________________________________ Cálculo de un amplificador con el modelo de parámetros híbridos
• Modelo simplificado en emisor común ______________________________________
• Amplificador Colector Común ____________________________________________
• El transistor bipolar real _______________________________________________
• El transistor bipolar en alta frecuencia. Modelo pi-híbrido _______________________
• Generalidades _________________________________________________________ Capítulo 3: Transistor de efecto de campo
• Estructura MIS _________________________________________________________
• Interpretación del efecto de la polarización de puerta. Diagrama de bandas de energía __
• Transistor MOSFET normalmente bloqueado _________________________________
• Transistor MOSFET normalmente conductor __________________________________
• Transistor MOSFET: análisis cuantitativo ____________________________________
• Circuitos de polarización __________________________________________________
• MOSFET como amplificador: Circuito equivalente de pequeña señal _______________
• Amplificador con transistor MOSFET en Fuente Común _________________________
• Amplificador con transistor MOSFET en Drenador Común _______________________
• Transistor MOSFET en Electrónica digital ____________________________________
• Generalidades _________________________________________________________ Capítulo 4: Optoelectrónica
• Sistemas de medición de energía radiante. Sensibilidad espectral ________________
• Fotodetectores _________________________________________________________
• Fotoemisores___________________________________________________________
• Fototransistor __________________________________________________________
• Optoacoplador __________________________________________________________
• Generalidades _________________________________________________________ Capítulo 5: Dispositivos de potencia
• MOSFET de potencia ___________________________________________________
• Transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) ___________________________________
• Tiristores ______________________________________________________________
• TRIAC ________________________________________________________________
• DIAC _________________________________________________________________
• Interruptor Bilateral de Silicio (SBS) _________________________________________
• GTO __________________________________________________________________
• BIBLIOGRAFÍA ________________________________________________________
• EL AUTOR ____________________________________________________________

Presentación

Este texto presenta los fundamentos de los Dispositivos Electrónicos básicos, principio físico de funcionamiento y aplicación en circuitos simples. El Capítulo 1 trata al Diodo, dispositivo semiconductor básico, no lineal, sus características y limitaciones de funcionamiento y el estudio de modelos eléctricos equivalentes lineales que permitan utilizar técnicas de análisis de circuitos en circuitos simples. El Capítulo 2 trata al Transistor Bipolar de Unión. Extendiendo el conocimiento logrado en el estudio del Diodo se interpreta el funcionamiento físico de este dispositivo más complejo. Además de su operación en régimen de corriente continua se incorpora el concepto de amplificación de una señal eléctrica, analizando distintos tipos de amplificadores y modelos equivalentes. El Capítulo 3 trata al Transistor de Efecto de Campo MOSFET componente electrónico de aplicación en electrónica digital y base de toda la tecnología actual. El Capítulo 4 estudia dispositivos cuyo funcionamiento se basa en la acción de radiación luminosa. El Capítulo 5 introduce a los Dispositivos Electrónicos de Potencia usados como conmutadores en sistemas de control y conversión de la energía eléctrica.

La ecuación de Shockley es una ecuación teórica que puede aproximarse al comportamiento de un diodo real. Debe tenerse en cuenta que en el desarrollo de esta ecuación no se tienen en cuenta las resistencias de las regiones neutras (cuerpo del diodo) y las resistencias de contacto, así como la generación y recombinación de portadores en la región de carga espacial de la juntura PN. Por otra parte, la corriente de polarización inversa en los diodos reales es mayor que IS debido a efectos secundarios que no tiene en cuenta el modelo de Shockley, y que son de difícil consideración ya que pueden deberse a defectos durante el proceso de fabricación del dispositivo. Aunque la corriente IS real es mayor que la determinada por la ecuación de Shockley es lo suficientemente pequeña como para que pueda ser despreciada, como primera aproximación, en la mayoría de los cálculos en circuitos con diodos. La ecuación de Shockley suele modificarse agregando un factor η denominado factor de idealidad, cuyo valor oscila entre 1 y 2. De esta forma se modifica la ecuación anterior:

ID = Is (e

V⢈ ηV⤄ (^) − 1)

La Figura 1.2 muestra la característica ID-VD según la ecuación de Shockley.

Debido a que el diodo es un componente electrónico cuya relación en la tensión y la corriente entre sus terminales no es lineal, para comprender mejor su funcionamiento se comenzará por presentar modelos equivalentes, que son representaciones aproximadas lineales. Esta restricción constituye una simplificación que permite realizar un análisis rápido y aceptable para etapas iniciales de diseño, permitiendo la aplicación de herramientas clásicas de la teoría de circuitos.

Análisis de un circuito con diodo

El circuito electrónico más simple realizado con un diodo es el de la Figura 1.3. En este circuito básico la corriente por el diodo ID = I, dado que el circuito es una configuración serie, y su valor dependerá de los componentes asociados al circuito además de la relación de Shockley.

Figura 1.2: característica ID-VD del diodo

Aplicando la segunda ley de Kirchhoff resulta:

VBB = I RL+ VD

En esta ecuación se encuentran dos incógnitas, I = ID y VD, por lo que la misma no es suficiente para encontrar una solución siendo necesario encontrar una segunda ecuación. Esta es la ecuación de Shockley dada anteriormente, donde para simplificar se ha supuesto η = 1.

ID = Is (e

V V⢈⤄ − 1)

De la combinación de las ecuaciones surge la siguiente ecuación con una sola incógnita:

VBB = Is (e

V V⢈⤄ − 1) RL + VD

Esta ecuación es trascendente por lo que debe encontrarse la solución a partir de algún tipo de análisis numérico ya que no puede resolverse directamente. Si bien puede usarse un método iterativo, el mismo resulta tedioso, por lo que otro método válido para la resolución es el método gráfico. Para aplicar este método, es necesario contar con el gráfico de la característica ID-VD dada por la ecuación de Shockley. De la ley de Kirchhoff, si despejamos la corriente ID = I resulta la siguiente ecuación:

ID = VBBRL + VDRL

La ecuación corresponde a una recta en el plano ID- VD conocida como ecuación de la recta de carga estática. Para trazar esta recta se eligen dos puntos de fácil determinación. Para ID = 0 corresponde VD = VBB y para VD = 0 corresponde ID = VBB/RL. La intersección de esta recta con el gráfico de la característica del diodo permite determinar el punto de polarización Q del dispositivo, también llamado punto de reposo estático Q, Figura 1.4.

Figura 1.3: circuito básico con diodo

Este tipo de modelo equivalente suele denominarse modelo lineal por tramos, dado que la característica ID-VD se forma por dos segmentos de línea recta que, en este caso, de modelo de diodo ideal, forman un ángulo de 90 grados. Si bien el modelo de diodo ideal es muy sencillo, está alejado del comportamiento real del dispositivo, mayormente en polarización directa. Al analizar la característica ID-VD de un diodo real polarizado en directa se observa que la corriente es de muy bajo valor hasta que se alcanza un valor de tensión VD denominada tensión umbral Vγ. El valor de

Vγ depende del material del diodo. Para el Silicio Vγ ≅ 0.7 V, Figura 1.6.

En este modelo equivalente se considera que el dispositivo está cortado hasta alcanzar la tensión umbral Vγ, y a partir de allí, se supone que el diodo presenta una caída de tensión constante VD = Vγ cuyo valor es independiente de la corriente por el dispositivo. La característica ID-VD en este modelo es la mostrada en la Figura 1.7, en la cual la recta que representa la conducción del diodo se corre al valor de la tensión Vγ.

Al representar el dispositivo por este modelo equivalente, se agrega una fuente de tensión independiente ideal de valor Vγ para polarización directa. Debe tenerse en cuenta que esta es una representación, modelo equivalente, y no corresponde a la realidad. En este modelo equivalente la tensión del diodo VD se expresa como:

VD 㐡

Vγ para VD ≥ Vγ 0 para VD < Vγ

Figura 1.6: tensión umbral del diodo

Figura 1.7: modelo con tensión umbral

La Figura 1.8 muestra la representación circuital para este modelo en polarización directa e inversa del diodo.

Pese a ser un modelo mejor que el de diodo ideal, el modelo anterior no tiene en cuenta que en un diodo real la caída de tensión aumenta con el incremento de la corriente. Este comportamiento puede asemejarse, utilizando un modelo lineal, a la caída de tensión sobre un resistor equivalente RD. De este modo, la característica ID-VD se vuelve a considerar como compuesta por dos segmentos rectos: uno fijo y otro que depende de la corriente cuyo punto de intersección es Vγ, Figura 1.9.

Un valor aproximado de RD puede obtenerse utilizando la hoja de datos del dispositivo determinado una relación ∆VD y ∆ID entre dos puntos elegidos.

RD = ∆V ∆IDD ⤦⤱⤤⤰⤥ ⤑ ⤦⤱⤤⤰⤥

En la mayoría de las aplicaciones la resistencia RD puede ser despreciada por lo cual resulta suficiente el modelo equivalente con fuente de tensión Vγ. La Figura 1.10 muestra la representación circuital para polarizaciones mayores que la tensión Vγ. Para tensiones menores el circuito equivalente sigue siendo representado por una llave abierta.

Figura 1.8: modelo equivalente para polarización directa e inversa

Figura 1.9: característica ID-VD con resistor RD

En la Figura 1.13 se muestra un circuito resonante LC. El valor de la capacitancia del diodo queda determinado por el nivel de polarización inversa dado por la fuente VCC = 2 V. La fuente vs(ωt) mantiene un nivel constante el 0.1 V mientras su frecuencia varía en el rango 100 kHz a 1 GHz. La Figura 1.14 muestra el resultado de una simulación SPICE.

Figura 1.12: CT vs. |VR| para diodos 1N4001-1N

Figura 1.13: Ejemplo de circuito resonante

Figura 1.14: Simulación SPICE del circuito resonante

Apartamiento de la característica ideal del diodo

Al aumentar los niveles de corriente por la juntura se vuelven importantes las caídas de tensión asociadas con el campo eléctrico en las regiones neutras de la juntura PN. Este efecto se asemeja a una resistencia serie de valor RS que puede incluir la resistencia parásita de los contactos del dispositivo. De esta forma la tensión total sobre el dispositivo será la suma de la tensión ideal VDi y la caída de tensión ID RS, Figura 1.15.

VD = VDi + ID RS

La Figura 1.16 muestra la característica ID-VD del diodo comercial 1N4002 donde se observa el efecto de la resistencia RS2. La línea de trazo azul representa la característica ideal.

Se puede modelar al diodo incluyendo el efecto de la resistencia serie RS como un generador de corriente ideal que obedece a la ecuación de Shockley en serie con un resistor RS, Figura 1.17.

(^2) http://www.diodes.com/datasheets/ds28002.pdf

Figura 1.15 Figura 1.16: característica real

Figura 1.17: modelo equivalente con RS

Los portadores adquieren energía cinética y vuelven a repetir del proceso, produciendo una avalancha de portadores, que contribuyen a la corriente inversa, Figura 1.20.

Si un electrón entra en la zona P de la región de carga espacial de ancho w en x = 0, Figura 1.19 se multiplica por el fenómeno de avalancha mientras viaja hasta alcanzar la región N, Figura 1.20. Debido a este proceso en x = w, la corriente de electrones In puede expresarse:

In(w) = Mn In(0)

Mn es el factor de multiplicación. Para los huecos el proceso es similar en dirección de N a P. Suele expresarse el factor de multiplicación M por medio de una relación empírica:

M = 1

1 − 䙴 VVBRR䙵

⤣

VR es la tensión inversa aplicada, VBR es la tensión de ruptura y m un coeficiente que varía entre 3 y 6 según el material. El fenómeno de ruptura por efecto Zener ocurre para junturas fuertemente dopadas donde se presenta el mecanismo túnel. Para junturas muy dopadas, las bandas de conducción (BC) y de valencia (BV) sobre los lados opuestos de la juntura se encuentran lo suficientemente cerca como para que los electrones puedan pasar por efecto túnel de la banda de valencia del lado P a la banda de conducción del lado N. La condición para que se produzca la ruptura Zener es: juntura muy abrupta y dopaje elevado, de modo de tener una región de carga espacial w muy delgada, ya que la probabilidad de que se produzca efecto túnel depende del ancho de la barrera. La Figura 1.21 muestra el diagrama de bandas de energía para efecto Zener.

Figura 1.20: proceso de ruptura por avalancha

Según el modelo del enlace covalente, el efecto Zener se produce debido a la ionización por campo. La polarización inversa de una juntura fuertemente dopada produce un elevado campo eléctrico en w que puede romper los enlaces covalentes y producir portadores que contribuyen a la corriente inversa. El valor del campo requerido es del orden de 10^6 V/cm para Silicio.

Efectos de la temperatura

Al analizar la ecuación de Shockley ID = Is (e

ㅔㄶㅔㅒ − 1) se observa que tanto IS como VT son funciones de la temperatura por lo que la característica ID-VD también lo será. La corriente inversa de saturación IS depende fuertemente de la temperatura, fundamentalmente, porque es función de la concentración intrínseca de portadores ni. Aproximadamente, en diodos de Silicio la corriente inversa IS se duplica cada 10 °C de aumento de la temperatura. Por otra parte, la tensión en el diodo en polarización directa para una corriente constante disminuye, también en silicio, aproximadamente 2 mV/°C. En forma general la corriente inversa de saturación puede expresarse como:

IS = K 1 T⤣^ e⡹

⢉G⤡⤄(⤄)

K 1 es una constante, m depende del tipo de semiconductor, EG(T) es el ancho de la banda prohibida que es función de la temperatura y k es la constante de Boltzmann. Si en la ecuación de Shockley se toma el logaritmo y se deriva respecto de la temperatura:

d(ln IS) dT =^

IS

dIS dT =

m T +^

EG

q VT T

Figura 1.21: proceso de ruptura por efecto Zener

Vγ(To) es el valor de la tensión umbral para la temperatura de referencia To. La Figura 1.23 muestra la variación de la tensión en el diodo respecto a la temperatura para el diodo 1N41484. De la Figura 1.23 puede observarse que para una corriente constante IF la tensión del diodo disminuye a medida que aumenta la temperatura.

Encapsulado

Según las características de corriente y tensión máximas y régimen de funcionamiento, los diodos se encuentran en distintos encapsulados. La Figura 1.24 muestra el encapsulado típico para un diodo de baja y mediana potencia para montaje común y para montaje superficial. El cátodo está indicado con una línea de color. La Figura 1.25 muestra encapsulados para diodos de potencia.

(^4) http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/HitachiSemiconductor/mXwuyxq.pdf)

Figura 1.23: efecto de la temperatura sobre la tensión directa

Figura 1.24: encapsulado típico en diodos de baja potencia

Figura 1.25: encapsulado típico en diodos de potencia

Modelo SPICE del diodo

El diodo semiconductor se modela en SPICE indicando la letra D seguida por el nombre asignado por el usuario, generalmente utilizando hasta ocho caracteres, y los nodos de conexión de ánodo (NA) y de cátodo (NK) junto con el nombre que representa al modelo del dispositivo.

D NA NK DNOMBRE [(área) valor]

El término (área) especifica un coeficiente multiplicador que permite definir con los mismos parámetros diodos que están fabricados con un mismo proceso tecnológico, pero que poseen diferentes áreas de la unión PN. Este factor multiplica a algunos parámetros que definen el modelo del dispositivo. Los parámetros típicos básicos para representar al diodo, su significado y valor asignado por defecto en el programa SPICE se muestran en la Tabla I.

Tabla I: Parámetros del modelo SPICE del diodo Parámetro Significado Valor típico Valor predefinido IS Corriente de saturación inversa 10-14 A 10-14 A N Coeficiente de emisión 1 ISR Corriente de saturación de recombinación 0 NR Coeficiente de emisión para ISR 2 IKF Corriente codo de alta inyección  BV Tensión de ruptura 50  IBV Corriente para la tensión de ruptura 10-10 A NBV Factor de la tensión de ruptura 1 RS Resistencia parásita 10 0 TT Tiempo de tránsito 0.1 ns 0 CJO Capacitancia de la juntura PN sin polarizar 2 pF 0 VJ Potencial de la juntura 0.6 V 1 M Coeficiente de la juntura 0.5 0. EG Energía del gap 1.11 eV 1.11 eV XTI Exponente de la temperatura de IS 3 3 KF Coeficiente de ruido Flicker 0 AF Exponente de ruido Flicker 1 FC Coeficiente para CJ en polarización directa 0.