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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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FUNDAMENTOS FISICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 2
Grado en Ingeniería Informática
Estructura del Si enlaces covalentes
T=0ºK
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FUNDAMENTOS FISICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 3
Grado en Ingeniería Informática
T=300ºK
A temperatura ambiente
Hueco
Electrón
n: concentración de electrones
p: concentración de huecosn=p
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FUNDAMENTOS FISICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 4
Grado en Ingeniería Informática
Si dopado con impurezas donadorasP: FosforoAs: ArsenicoSb: Antimonio
Semiconductor tipo N n>p
ND: concentración de impurezas donadoras
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FUNDAMENTOS FISICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 5
Grado en Ingeniería Informática
Si dopado con impurezas aceptadoras
Semiconductor tipo P
n<p
B: Boro
Al: Aluminio
Ga: GalioNA: concentración de impurezas donadoras
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FUNDAMENTOS FISICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 6
Grado en Ingeniería Informática
Unión PN
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FUNDAMENTOS FISICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 7
Grado en Ingeniería Informática
Equilibrio Directa Inversa
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FUNDAMENTOS FISICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 8
Grado en Ingeniería Informática
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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FUNDAMENTOS FISICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 9
Grado en Ingeniería Informática
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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FUNDAMENTOS FISICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 10
Grado en Ingeniería Informática
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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FUNDAMENTOS FISICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 11
Grado en Ingeniería Informática
Modelo 2
Tensión constante entre los extremos del diodo:
00 >⇒>=⇒< DDDD IVVsiIVVsi γγ
γV
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FUNDAMENTOS FISICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 12
Grado en Ingeniería Informática
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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FUNDAMENTOS FISICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 13
Grado en Ingeniería Informática
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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FUNDAMENTOS FISICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 14
Grado en Ingeniería Informática
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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Grado en Ingeniería Informática
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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FUNDAMENTOS FISICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 16
Grado en Ingeniería Informática
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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FUNDAMENTOS FISICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 17
Grado en Ingeniería Informática
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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FUNDAMENTOS FISICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 18
Grado en Ingeniería Informática
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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FUNDAMENTOS FISICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 19
Grado en Ingeniería Informática
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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FUNDAMENTOS FISICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 20
Grado en Ingeniería Informática
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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FUNDAMENTOS FISICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 21
Grado en Ingeniería Informática
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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FUNDAMENTOS FISICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 22
Grado en Ingeniería Informática
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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FUNDAMENTOS FISICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 23
Grado en Ingeniería Informática
Rectificador de media onda: modelo 1 (ideal) para el diodo
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FUNDAMENTOS FISICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 24
Grado en Ingeniería Informática
Rectificador de media onda: modelo 3 para el diodo
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FUNDAMENTOS FISICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 25
Grado en Ingeniería Informática
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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FUNDAMENTOS FISICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 26
Grado en Ingeniería Informática
4.3. Transistor MOSFET
El transistor MOSFET se corresponde con el siguiente dispositivo:
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FUNDAMENTOS FISICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 27
Grado en Ingeniería Informática
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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FUNDAMENTOS FISICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 28
Grado en Ingeniería Informática
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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FUNDAMENTOS FISICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 29
Grado en Ingeniería Informática
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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FUNDAMENTOS FISICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 30
Grado en Ingeniería Informática
Característica ID - VDS para un MOSFET con Vt = 1V.
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FUNDAMENTOS FISICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 31
Grado en Ingeniería Informática
Característica ID - VGS para un MOSFET con Vt = 1V.
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FUNDAMENTOS FISICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 32
Grado en Ingeniería Informática
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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FUNDAMENTOS FISICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 33
Grado en Ingeniería Informática
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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FUNDAMENTOS FISICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 34
Grado en Ingeniería Informática
( ) ( )
⋅−+⋅=
⋅+=+⋅=
−=
⋅+=⋅++⋅=
=⇒
− )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