TEMA 2. DISPOSITIVOS

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

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

María Jesús Martín Martínez : [email protected]

1

TEMA 2. DISPOSITIVOS 2.

Diodo de Unión (Unión P-N). ees.wikispaces.com

www.esacademic.com

3.

4.

Transistor Bipolar de Unión (BJT).

Transistor de Efecto de Campo Metal-OxidoSemiconductor (MOSFET).

5.

Diodo emisor de luz (LED).

6.

Ejercicios propuestos upload.wikimedia.org

erenovable.com

María Jesús Martín Martínez : [email protected]

2

TEMA 2. DISPOSITIVOS

2.2. DIODO DE UNIÓN

2. El diodo de unión:


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)

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

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





Si la tensión aplicada entre terminales V=0  La unión está 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 http://romux.com/projects/electronics/monolithic-ic-component-fabrication

María Jesús Martín Martínez : [email protected]

3

TEMA 2. DISPOSITIVOS

2.2. DIODO DE UNIÓN

2.a. La unión PN en equilibrio (V=0)


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

en.wikipedia.org/wiki/P-n_junction



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 =0



María Jesús Martín Martínez : [email protected]

4

TEMA 2. DISPOSITIVOS

2.2. DIODO DE UNIÓN

2.a. La unión PN en equilibrio (V=0)

en.wikipedia.org/wiki/P-n_junction

María Jesús Martín Martínez : [email protected]

5

TEMA 2. DISPOSITIVOS

2.2. DIODO DE UNIÓN

2.b. La unión PN polarizada (V ≠ 0)


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.







El potencial externo refuerza el campo eléctrico de arrastre.



V>0

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: 

I

Las componentes de difusión son nulas. Aumentan las componentes de arrastre (trasladan los minoritarios): son corrientes muy pequeñas  que puede considerarse despreciables.

P

N

P

N

V0  podemos admitir que la exponencial es muy superior al “1”

I



eV

I = I0 e

Curva analítica

KB T

En polarización inversa: V0 P

N

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. 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: hυ =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

María Jesús Martín Martínez : [email protected]

41

TEMA 2. DISPOSITIVOS

2.5. 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.jpg







http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7c/PnJunction-LED-E.PNG

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. María Jesús Martín Martínez : [email protected]

42

TEMA 2. DISPOSITIVOS

2.5. DIODO LED

a. Diodo emisor de luz: LED


Longitudes de onda de interés: Espectro electromagnético

Imagen de dominio público

María Jesús Martín Martínez : [email protected]

43

TEMA 2. DISPOSITIVOS

2.5. DIODO LED

b. Color de la luz de un LED


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

sensores y procesado visible

0.4

IR térmico

comunicación

0.7

1.6

λ (µm)

f =

UV

NIR 3 SiC

GaP

1.6 GaAs

MIR

hν (eV) 0.8 Si Ge

c

λ

ε = hυ

Eg (eV)

María Jesús Martín Martínez : [email protected]

44

TEMA 2. DISPOSITIVOS

2.5. DIODO LED

b. Color de la luz de un LED


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

IR térmico

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

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

María Jesús Martín Martínez : [email protected]

45

TEMA 2. DISPOSITIVOS

2.5. DIODO LED

c. Aplicaciones de los LEDs 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 comunicaciones de fibra óptica





Los LEDs se emplean con profusión:  Indicadores de estado (encendido/apagado)

Dispositivos de señalización (de tránsito, de emergencia, etc.) http://es.wikipedia.org/wiki/Led

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

36,6 metros de altura y está en Times Square, Manhattan). María Jesús Martín Martínez : [email protected]

46

TEMA 2. DISPOSITIVOS

2.5. DIODO LED

c. Aplicaciones de los LEDs     

Calculadoras Alumbrado de pantallas LCD de teléfonos móviles Agendas electrónicas, etc. Fotodetectores para lecturas de códigos de barras. Displays de 7 segmentos

http://alcancepublicitario.com/LED_Displays.jpg

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

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

María Jesús Martín Martínez : [email protected]

47

TEMA 2. DISPOSITIVOS

2.5. DIODO LED

d. LASER Semiconductor 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

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

María Jesús Martín Martínez : [email protected]

48

TEMA 2. DISPOSITIVOS

2.5. DIODO LED

d. Aplicaciones del LASER 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:

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

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. María Jesús Martín Martínez : [email protected]

49

TEMA 2. DISPOSITIVOS

2.5. DIODO LED

d. Aplicaciones del LASER 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.

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

Aplicaciones de diodos láser de alta potencia http://images.industrial.omron.eu

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

María Jesús Martín Martínez : [email protected]

50

TEMA 2. DISPOSITIVOS

2.5. DIODO LED

d. Aplicaciones del LASER Científico:




Médico:








  

Contadores de partículas, Dispersión de luz, Análisis químicos, Física atómica 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

http://es.wikipedia.org/wiki/Disco_compacto http://optima-prec.com/images/ldo.jpg

María Jesús Martín Martínez : [email protected]

51




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

María Jesús Martín Martínez : [email protected]

52




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-tranfercharacteristics-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

María Jesús Martín Martínez : [email protected]

53