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# Teoria de circuitos boylestad pdf

by Robert L. Boylestad. Preview homeranking.info The Nature Fix. Electronica: Teoria de Circuitos y Dispositivos Electronicos. electronic-devices-circuit-theory-9th-edition-boylestad Pages·· MB·7, Electrónica teoría de circuitos y dispositivos electrónicos. Solucionario electronica teoria de circuitos boylestad pdf Instructorxs Resource Manual to accompany Electronic Devices and Circuit Theory Tenth Edition.

 Author: VALENTIN KRASNER Language: English, Spanish, Portuguese Country: Croatia Genre: Technology Pages: 107 Published (Last): 19.05.2016 ISBN: 219-2-25794-312-3 ePub File Size: 30.64 MB PDF File Size: 9.49 MB Distribution: Free* [*Regsitration Required] Downloads: 38818 Uploaded by: STEFAN

Para el Ge y el Si el cristal tiene la estructura de diamante de tres dimensiones qne se muestra en la figura 1. From problem 14 b: Cortesia d e Fairchild Camera and Instrument Corporation. Considere la red de la figura 2. Antes de analizar la construccion y las caractensticas de un dispositivo real, primer0 se considerara el dispositivo ideal para ofrecer una base de comparaci6n. The LCD depends on ambient light to utilize the change in either reflectivity or transmissivity caused by the application of an electric voltage.

In case of sinusoidal voltages, the advantage is probably with the DMM. For more complex waveforms, the nod goes to the oscilloscope. For measuring sinusoidal waves, the DMM gives a direct reading of the rms value of the measured waveform. However, for non-sinusoidal waves, a true rms DMM must be employed.

The oscilloscope only gives peak-peak values, which, if one wants to obtain the power in an ac circuit, must be converted to rms. Vout 9. Yes R3 2K Both circuits 5. Common-Emitter DC Bias b. This represents a 1.

This relatively large divergence is in part the result of using an assumed value of Beta for our transistor. For a 2N transistor, the geometric average of Beta is closer to Output Impedance a. Computer Analysis PSpice Simulation 1. As I B increases, so does I C. Therefore V C decreases. Common-Base DC Bias a. Such divergence is not excessive given the variability of electronic components. CB Input Impedance, Zi a. Emitter-Follower DC Bias a. Part 7: Part 8: A better expression for the output impedance is: Thus it can be seen that the given formulation was actually a minimum value of the output impedance.

Input Impedance 1. Output Impedance 1. Yes Transient Analysis 1. Yes 4. Yes 8. Yes Part 3: Build and Test CE Circuit b. Design parameter Measured value AV min. The gain is about 20 percent below the expected value.

To increase it, the supply voltage VCC could be increased. This would increase the quiescent current, lower the dynamic resistance re and consequently increase the gain of the amplifier.

Input and Output Impedance Measurements a. Such may not be entirely true. Hence, we observe a 41 percent difference between the theoretical input impedance and the input impedance calculated from measured values.

The two values of the output impedance are in far better agreement. They differ only by. Av AC Voltage Gain of Amplifier a. For stage 2: This seems not to be the case in actuality. There is a reverse leakage current at the gate which reduces the effective input impedance below that of RG by being in parallel with it. The output impedances again are in reasonable agreement, differing by no more than 9 percent from each other.

Computer Exercise Pspice Simulation 1. Interchange J1 with J2 Computer Exercise 1. No VPlot data 1. Darlington Emitter-Follower Circuit a. Darlington Input and Output Impedance a.

It is to be noted however that with such small values the difference in just one ohm manifests itself as a large percent change. Given the tolerances of electronic circuit due to their components and that of the Darlington chip, the results are quite satisfactory. Cascode Circuit a. BJT Current Source a.

Current Mirror a. Multiple Current Mirrors a. No Low-Frequency Response Calculations a. Low Frequency Response Measurements b. High Frequency Response Calculations a. See Probe plot Almost identical 6. Class A Amplifier: DC Bias a. Class-A Amplifier: AC Operation a. In general, Class A amplifiers operate close to a 25 percent efficiency. This circuit would need to be redesigned to make it a practical circuit. Class-B Amplifier Operation a. Also observe that the two stages of the Class B amplifier shown in Figure Thus, the voltage gain for each stage is near unity.

This is what the data of the input and the output voltages show. Note also, that as the output voltage approaches its maximum value that the efficiency of the device approaches its theoretical efficiency of about 78 percent.

Yes 9. Q1 and Q2 3. Maintain proper bias across Q1 and Q2. For either Q1 or Q2: For Q1, Q2, and Q3: For Q1: Computer Exercises Pspice Simulations 1. Practically yes 3. Both voltages are 1. See probe plot page Determining the Slew Rate f.

Determining the Common Mode Rejection Ratio g. Published values: Computer Exercises PSpice Simulation: Determining the Slew Rate b. Determining the Common Mode Rejection Ratio b. Inverting Amplifier a. Noninverting Amplifier a. Unity-Gain Follower a. Summing Amplifier a.

Low-Pass Active Filter a. High-Pass Filter a. Band-Pass Active Filter c. Slight variance due to PSpice cursor position. Numeric Logarithmic fC low: See tabulation in 9. Replace R1 with 20 Kohm resistor. Window Comparator a. Determining Vout d. PSpice Simulation b. Wien Bridge Oscillator c. Schmitt-trigger Oscillator c. The data obtained in this experiment was based on the use of a 10 volt Zener diode. Part 1: Series Voltage Regulator a. Improved Series Regulator a. Shunt Voltage Regulator a. Vin is swept linearly from 2 V to 8 V in 1 V increments.

V IN increases linearly from 6 V to 16 V in 0. V OUT theor. The AND Gate: Computer Simulation a. A and U1A: B are the inputs to the gate. Trace U1A: Y is the output of the gate. Over the period investigated, the Off state is the prevalent one.

Experimental Determination of Logic States a. Ideally, the same. Should be the same as that for the simulation. The amplitude of the TTL pulses are about 5 volts, that of the Output terminal 3 is about 3. The internal voltage drop of across the gate causes the difference between these voltage levels. Logic States versus Voltage Levels b. Example of a calculation: V V1A: For this particular example, the calculated percent deviation falls well within the permissible range.

Propagation delay a. For the current case, the propagation delay at the lagging edge of the applied TTL pulse should be identical to that at the leading edge of that pulse.

Thus, it should measure about 18 nanoseconds. Ideally, the propagation delays determined by the simulation should be identical to that determined in the laboratory. From Laboratory data, determine the percent deviation using the same procedure as before.

B are the inputs to the gate, U1A: Y its output trace. Trace U2A: The PSpice cursor was used to determine the logic states at the requested times. The logic states are indicated at the left margin. They should be relatively close to each other. They are identical. The output of the gate is the negation of the output of the gate. Computer Simulation Table a. Input terminal 1 Input terminal 2 Output terminal 3 1 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 b. The OR Gate: This differs from that of the AND gate.

The pulse of milliseconds of the TTL pulse is identical to that of the simulation pulse. The frequency of 10 Hz of the TTL pulse is identical to that of the simulation pulse. They were determined to be the same at the indicated times. The voltage of the TTL pulse was 5 volts. The voltage at the output terminal was 3. The difference in these two voltages is caused by the internal voltage drop across the gate. Logic States versus Voltage Levels a.

It is larger by 5. A U1A: B U1A: Y U2A: A U2A: B U2A: Y U3A: A U3A: B U3A: The output of the gate, U3A: The logic states of the simulation and those experimentally determined are identical. The logic state of the output terminal U3A: Y is identical to that of the TTL clock.

Y is identical to that of the output terminal U2A: Y of the U2A gate. Y are both shown in the above plot. Table U1A: The output of the gate, U1A: This is a logical inversion of the OR gate. A and U2A: B are at opposite logic levels.

The experimental data is identical to that obtained from the simulation. Refer to the data in Table Otherwise, its output is at a logical LOW. The importance to note is that the D input can be negative and positive during the time that the Q output is low.

The conditions stated in previous answer define a positive edge triggered flip flop as defined in the first paragraph of Part 1. See above answers. This will SET the flip flop. At that time the flip flop will SET. Events repeat themselves after this. Both input terminals are held at 5 volts during the experiment.

The amplitude of the voltage of the TTL pulse is 5 volts. The amplitude of the output voltage at the Q terminal is 3. The difference between the input voltages and the output voltage is caused by the voltage drop through the flip flop. The experimental and the simulation transition states occur at the same times. Frequency Division A.

The frequency at the U1A: Q terminal is 5 Hz. Q terminal is one-half that of the U1A: Wien Bridge Oscillator c. The slope is a constant value. If we convert the measured rms value of VO to peak value, we obtain 3. The output impedances again are in reasonable agreement, differing by no more than 9 percent from each other. Y of the U2A gate. Thus, the voltage gain for each stage is near unity. Since log scales are present, the differentials must be as small as possible.

The greatest rate of increase in power will occur at low illumination levels. Q terminal is one-half that of the U2A: Not in preferred firing area.

Full-Wave Center-tapped Configuration a. This differs from that circuitoss the AND gate. Q terminal is 3 volts. The network is a lag network, i.

Y is identical to that of the TTL clock. The frequency of the U2A: Curves are essentially the same with new scales as shown. Printed in the United States of America. It depends hoylestad the waveform. Aunque puede resultar mas ffiiil considerar 10s efectos de Rs y R, con cada configuration cuando tsta se presenta por primera vez, 10s efectos de R, y R, tambitn ofrecen una oportunidad para aplicar algunos de 10s con- ceptos fundamentales del anilisis de sistemas.

Los 6ltimos capitulos referentes a amplificadores operacionales y circuitos integrados desarrollan a6n mas 10s conceptos presentados en 10s capitulos iniciales. Ciertamente, la intenci6n no es de retar a1 instructor o a1 estu- diante con inconsistencias planeadas. De hecho, no existe algo m b tenso para un autor que el escuchar sobre errores en su libro. Desputs de una verificaci6n extensiva acerca de la exacti- tud en la quinta edicion, ahora nos sentimos seguros que este texto gozarA del nivel mas alto de exactitud que se puede obtener para una publicacion de este tipo.

Algunas instituciones utilizan exclusivamente el modelo re mientras que otras se apoyan en el enfoque hibrido o en una combinaci6n de estos dos. La sexta edicion destacari el modelo re con la suficiente cobertura del modelo hibrido como para permitir una comparacion entre 10s modelos y la aplicaci6n de arnbos. Se ha dedicado un capitulo completo capitulo 7 a la introducci6n de 10s modelos para asegurar un entendimiento claro y correct0 de cada uno y de las relaciones que existen entre 10s dos.

No solamente aparece la utilizaci6n de procesadores de texto en el pri- mer semestre, sino que tambitn se presentan las hojas de calculo y el empleo de un paquete de andisis tal como PSpice en numemsas instituciones educativas.

Se eligi6 PSpice como el paquete que apareceri a travts de este texto debido a que recientes encuestas sugieren que es el que se emplea con mayor frecuencia. Otros paquetes posibles incluyen Micro-Cap y Breadboard.

La zobertura de PSpice ofrece suficiente capacidad para permitir la escritura del archivo de captura para la mayoria de las redes analizadas en este texto. No se supone un conocimiento anterior acerca de paquetes para computadora.

A6n se incluyen en el texto algunos programas en BASIC para demostrar las ventajas de conocer un lenguaje tie computaci6n y de 10s beneficios adicionales que surgen de su utilizaci6n. Se trata de un arte que debe ser inuoducido utilizando una variedad de tkcnicas, pero la expenencia y la exposicion son obviamente 10s elementos clave en el desarrollo de estas habilidades.

El contenido es en forma esencial una revision de situaciones que ocurren con frecuencia dentro del ambiente de laboratorio. Se presentan algunas ideas sobre como aislar un k e a problemktica asi como una lista de las cau- sas posibles. Esto no pretende sugerir que un estudiante se convertira en un experto en la solucion de las redes presentadas en este texto, pero al menos el lector tendra algiin entendi- miento de lo que esta relacionado con el proceso de la solucidn.

Para algunos colegios la seccion dc es suficiente para un semestre, rnientras que para otros el texto completo puede ser cubierto en un semestre mediante la elec- cidn de temas especificos. En cualquier caso, el presente es un texto que "construye" a pactis de 10s capitulos iniciales.

El material superfluo se relega a 10s iiltimos capitulos para evitar el contenido excesivo acerca de un tema particular a1 principio en el nivel de desarrollo. Para cada dispositivo el texto cubre una rnayoria de las configuraciones y aplicaciones importantes.

Mediante la election de ejemplos y aplicaciones especificos es posible reducir el contenido de un curso sin perder las caractensticas de construction progresivas del texto.

Por tanto, si un instructor siente que un ires especffica es particularmente importante, se ofrece el detalle con el fin de tener una revisidn mas extensiva. Nuestros mas sinceros agradecimientos se deben extender a 10s profesores que han utilizado el texto y han enviado algunos comentarios, correccionesy sugerencias. Tambien deseamos agra- decer a Rex Davidson, editor de Prentice-Hall, por mantener unidos 10s tantos aspectos deta- llados de producci6n.

Nuestro mas sincero agradecimiento a Dave Garza, editor senior, y a Carol Robison, editor senior de desmollo, de Prentice-Hall,por su apoyo editorial en la sexta edici6n de este texto. Deseamos agradecer a aquellas personas que han compartido sus sugerencias y evaluacio- nes del presente texto a travCs de sus muchas ediciones.

Los comentarios de estas personas nos han permitido presentar Electrhnica: Teorio de Circuitos en esta nueva edicion:. Bocksch Charles S. Mott Community College. Buerosse Waukesha County Technical College. Kenneth E. Donna Liverman Texas Instruments Inc. George T. Newman L. Donald P. Wilson Motorola Inc. La miniaturizacion que se ha logrado nos deja sorprendidos de sus alcances.

Sistemas completes aparecen ahora sobre una oblea de silicio, miles de veces mas pequeiia que un solo elemento de las redes iniciales. Las ventajas asociadas con 10s sistemas actuales, comparados con las redes de bulbos de 10s aiios anteriores, resultan, en su mayor parte, obvias de inmediato: La miniaturizacion desarrollada en 10s aiios recientes ha dado por resultado sistemas tan pequefios que ahora el proposito bbico del eucapsulado solo es obtener algunos medios para manipular el dispositivo y asegurar que las conexiones pennanezcan fijas en fonna adecuada en la base del semiconductor.

Los limites de la miniaturizaci6n dependen de tres factores: Con sus caracteristicas, que son muy sirnilares a las de un intemptor sencillo, aparece en una amplia variedad de aplicaciones, que van desde las m b sencillas a las mas complejas. Antes de analizar la construccion y las caractensticas de un dispositivo real, primer0 se considerara el dispositivo ideal para ofrecer una base de comparaci6n.

El diodo ideal es nn dispositivo con dos terminales. De manera ideal, un diodo conduciri comente en la direction que define la flecha en el simbolo, y actuad como un circuit0 abierto en cualquier intento por esiablecer coniente en direcci6n opuesta. En esencia: Las caracteristicas de un diodo ideal son quellas de un interruptor que puede Fwra 1. Si la polaridad del voltaje aplicado es consistente con el que se muestra en la figura l. En case de que se apliqne un voltaje inverso, son pertinentes las caracteristicashacia la izquierda del eje.

Si la comente a tra. Para la mayona de las caracteristicasde 10s dispositivos que aparecen en este libro, la ordenada o eje "y" sera el eje de la corriente, en tanto la abscisa o eje "x" serA el eje del voltaje. Uno de 10s parimetros importantes para el diodo es la resistencia en el punto o la region de operaci6n.

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Si se considera la reg'l6n de conducci6n definida por la direcci6n de ID y polaridad de VDen la figura l. Por ranro, el diodo ideal es un circuiro cerrado para la regibn de conduccibn.

Si ahora se considera la regi6n de potencial negativo aplicado tercer cuadrante de la figura I. Por tanto, el diodo ideal es un circuiro abierro en la regibn de no conduccibn. En resumen, son aplicables las condiciones que se describen en la figura 1. Fwra 1. Por lo general, resulta sencillo hasta cieno punto determinar si un diodo se encuentra en la region de conducci6n o de no conducci6n, al observar la diiecci6n de la comente ID que se estahlece mediante un voltaje aplicado.

Para el flujo convencional opuesto al flujo de electro- nes , si la comente resultante del diodo tiene la misma direcci6n que la punta de la flecha del sfmbolo del d i d o , tste estA operando en la regi6n de conducci6n, segun se describe en la figura 1. Si la coniente resultante tiene la direcci6n opuesta, como se muestra en la figura 1. Como se indic6 antes, el prop6sito inicial de esta seccion es presentar las caractensticas de un dispositivo ideal para poder compararlas con las caractensticas de la variedad comer- cial.

Segun se avance a travts de las pr6ximas secciones, se deben considerar las siguientes preguntas: El prefijo semi suele aplicarse a un rango de niveles situado a la mitad entre dos limites. El tbrmino conductor se aplica a cualquier material que soporte unflujo generoso de carga, cuando unafuente de voltaje de magnitud limitada se aplica a h.

Un aislante es un material que ofece un nivel muy bajo de conducrividad bajo la presibn de unafuente de volraje aplicada. Un semiconductor,por ranto, es un material que posee un nivel de conductividad sobre algrin punro entre 10s exrremos de un aislaike y un conductor.

De hecho, si el irea de la figura 1. Este hecho serh de utilidad cuando se comparen 10s niveles de resistividad en 10s anilisis que se presentan enseguida. En la tabla 1. I se muestran 10s valores tipicos de resistividad para tres categodas amplias de materiales.

Aunque se pueda estar familiarizado con las propiedades eltctricas del cobre y la mica, las caractensticas de 10s materiales semiconductores, germanio Ge y silicio Si , pue-. Como se encontrari en 10s capitulos que signen, ciertamente no son 10s linicos dos materiales semiconductores; sin embargo, son 10s que mas interesan en el desarrollo de dispositivos semiconductores. En aiios recientes el cambio ha sido estable con el silicio, pero no asi con el germanio.

Observe en la tabla 1. Dieciocho lugares separan la colocaci6n del punto decimal de un nlimero a otro. Ge y Si han recibido la atenci6n que tienen por varias razo- nes. Una consideracion mny importante es el hecho de que pueden ser fabricados con un muy alto nivel de pnreza. De hecho, 10s avances recientes han reducido 10s niveles de impureza en el material puro a una parte por cada 10 mil milloms 1: Es posible que alguien se pregunte si estos niveles de impureza son realmente necesarios.

En realidad lo son si se consi- dera que la adici6n de una parte de impureza del tipa adecuado por mill6n, en una oblea de silicio, puede cambiar dicho material de un conductor relativamente pobre a un buen conductor de electricidad.

Como es obvio, se estb manejando nn espectro completamente nuevo de nive- les de comparaci6n. Otras razones incluyen el hecho de que sus caractensticas pueden alterarse en forma significativa a travts de la aplicaci6n de calor o lnz, una consideracion imponante en el desarrollo de dispositi- vos sensibles al calor o a la luz.

Algunas de las cualidades linicas del Ge y el Si que se observaron antes se deben a su estructura at6mica. Los itomos de ambos rnateriales forman un patron muy definido que es periodic0 en naturaleza esto es que continuamente se repite el mismo. A un patron completo se le llama cristal, y a1 arreglo periodic0 de 10s atomos, red crisralina.

Para el Ge y el Si el cristal tiene la estructura de diamante de tres dimensiones qne se muestra en la figura 1. Cualquier material compuesto so10 de estructuras repetidas de cristal del mismo tipo se deno- mina estructura de cristal inico. Para 10s materiales semiconductores de aplicacion prictica en el camvo de la electronics. Como se tiene entendido, el dtomo se compone de tres particulas bbicas: En la red atomica, 10s neutrones y 10s protones forman el nlcleo, mientras que 10s electrones se mueven alrededor del nlicleo sobre una brbira fija.

Los modelos de Bohr de 10s semiconductores que se usan con mayor frecuen- Rgum 1. Como se indica en la figura 1.

En cada caso, existen cuatro elec- trones en la orbita exterior valencia. El potencial orencia1 de ionizacibn que se requiere para movilizar cualquiera de estos cuatro electrones de valencia, es menor que el requerido por cualquier otro electron dentro de la estructura.

En un cristal puro de germanio o de silicio estos cuatro electrones de valencia se encuentran unidos a cuatro itornos adjnntos, como se muestra en la figura 1. Tanto el Ge como el Si son referidos como atomos tetravalentes, porque cada uno tiene cnatro electrones de valencia. Una unwn de lrtomos fortolecida por el com.

Figura 1. Si bien la union covalente generari una union m b fuerte entre 10s electrones de valencia y su itomo, aiin es posible para 10s electrones de valencia absorber suficiente energia cinttica por causas naturales, para romper la union covalente y asumir el estado "libre".

El tkrmino "libre" revela que su movimiento es muy sensible a 10s campos el6ctricos aplicados, como 10s establecidos por las fuentes de voltaje o cualquier diferencia de potencial. Estas causas natura- les incluyen efectos como la energia luminica en la forma de fotones y la energia termica del medio que lo rodea. A temperatura ambiente existen aproximadamente 1. Los materiales intrinsecos son aquellos semiconductores que han sido cuidadosamente refinados para reducir las impurezas a un nivel muy bajo, esencialmente tan puro como se puede obtener a travks de la tecnologia moderna.

A 10s electrones libres localizados en el material que se deben solo a causas naturales, se les conoce como portadores intrlnsecos. A la misma temperatura, el material intrinseco de germanio tendri aproximadamente 2.

La relacion del nllmero de ponadores en el germanio respecto al silicio es mayor de e indica que el germanio es uu mejor conductor a temperatura ambiente.

Esto puede ser cierto, aunque en el estado inm'nseco ambos ahn son considerados conductores pobres. Por supuesto, Cste debe ser el caso, debido a que la resistividad y la conductividad son inversamente proporcionales.

Seglin aumenta la temperatura desde el cero absoluto 0 K , un nlimero mayor de electrones de valencia absorben suficiente energia ttrmica como para romper la union covalente y contribuir asi a1 n6mero de ponadores libres, seglin se describi6 antes.

Este mayor numero de portadores aumentarii el indice de conductividad y generara un menor nivel de resistencia. Se dice que 10s materiales semiconductores como el Ge y el Si, que mueskran una reduccibn en resistencia con el incremento en la tempemura, tienen un coefciente de temperatura negativo. Quiza el lector recuerde que la resistencia de casi todos 10s conductores se incrementari con la temperatura.

Esto se debe al hecho de que el nivmero de portadores en un conductor no. Un increment0 en la temperatura, por tanto, genera un aumento del nivel de resistencia y un coeficiente positivo de temperatura. Mientras mhs disrante se encuentre el electrbn del nucleo, m y o r es el estado de energia, y cualquier electrbn que haya dejado a su htomo, tiene un estado de energia mayor que cualquier electrbn en la estrucrura atbmica.

Nivel de valencia capa mds externa. Segunda nivel siguiente capa interna. Elecuoner de valencia Entre 10s niveles de energia discretos existen bandas vacias, en las cuales no pueden apa- recer electrones dentro de la estructura at6mica aislada. Cuando 10s atomos de un material se unen para formar la estructura de la red cristalina, existe una interacci6n entre 10s itornos que ocasiona que 10s electrones dentro de una orbita en particular de un atomo tengan ligeras diferencias en sus niveles de energia, respecto a 10s electrones en la misma 6rbita de un dtomo adjunto.

El resultado net0 es una expansion de la banda de 10s niveles discretos de estados de energia posibles para 10s electrones de valencia, como se muestra en la figura 1. Observe que existen niveles y estados de energia miximos en 10s cuales se puede encontrar cualquier electron, y una regibnprohibida entre la banda de valencia y el nivel de ionization. Recuerde que la ionizaci6n es el mecanismo mediante el cual un electron puede absorber suficiente.

Sustituyendola carga de un electron y una diferencia de potencial de 1 volt en la ecuacion 1. A 0 K o cero absoluto Sin embargo, a temperatura ambiente K, 25 OC un gran numero de electrones de valencia han adquirido suficiente energta para dejar la banda de valencia, y han atravesado la banda de energia vacia definida por E, en la figura 1.

Para el silicio Eg es de 1. Para el germanio, Es obviamente es menor, y se debe a1 gran numero de portadores en dicho material, comparado al silicio expuesto a temperatura ambiente. Observe que para el aislante la banda de energia es con frecuencia de 5 eV o mL, lo cual lirnita drasticamente el numero de electrones que pueden entrar a la banda de conduccion a temperatura ambiente.

El conductor tiene electrones en la banda de conduccion aun a 0 K. Por tanto, es bastante obvio que a temperatura ambiente existan portadores libres mis que suficientes para soportar un gran flujo de carga o comente. En la secci6n 1. TIPO n Y TIPO p Las caracterfsticasde 10s materiales semiconductores pueden ser alteradas significativamente por la adicion de ciertos atomos de impureza a un material semiconductor relativamente puro.

Existen dos materiales extrinsecos de gran importancia para la fabricaci6n de dispositivos semiconductores: Cada uno se describirh con detalle m h adelante. Material tipo n Tanto el material tipo n como el tip0 p se forman mediante la adici6n de un numero predetermi- nado de atomos de impureza al germanio o al silicio. El tipo n se crea a travis de la innoduccion de elementos de impureza que poseen cinco electrones de valencia pentavalentes , como el antimonio, arsenico y jhsforo.

El efecto de estos elementos impuros se indica en la figura 1. Observe que las cuauo uniones covalentes aiin se encuentran presentes. Existe, sin embargo,un quinto electr6n adicional debido al atomo de impureza, mismo que se encuentra desasociado de cualquier uni6n covalente en particular. Este elecnon restante, unido dtbilmente a su Atomo antimonio , se encuentra relativamente libre para moverse dentro del recitn formado material tip0 n.

Debido a que el itorno de impu- reza insertado ha donado un electr6n relativamente "libre" a la estructura: Es importante comprender que, aunque un niimero importante de portadores "libres" se han creado en el material tip0 n, 6ste aun es elCctricamente neutral, debido a que de manera ideal el ndmero de protones cargados positivamente en 10s nucleos es todavia igual a1 numero de electrones "libres" cargados negativamente y en 6rbita en la estructura.

El efecto de este proceso de dopado sobre la conductividad relativa se describe mejor a travks del diagrama de bandas de energia de la figura 1.

Observe que un nivel de energia discreto Ilamado el nivel del donor aparece en la banda prohibida con un Eg significativamente menor que aquel del material inm'nseco. Aquellos electrones "libres" que se deben a la impu- reza ariadida se sinIan en este nivel de energia, y tienen menor dificultad para absorber la energia ttrmica suficiente para moverse a la banda de conducci6n a temperatura ambiente.

El resultado es que a temperatura ambiente existe un gran niimero de portadores electrones en el nivel de conducci6n, y la conductividaddel material aumenta en forma significativa. A tempe- ratura ambiente en un material de Si inbinseco existe aproximadamente un electr6n libre por cada dtomos uno por cada para Ge.

I3gum 1. Los elementos que se utilizan con mayor frecuencia para este proposito son el boro, galio e indio. El efecto de alguno de estos elementos, como el boro sobre el silicio, se indica en la figura 1. Observe que ahora existe un numero de electrones insuficiente para completar las uniones covalentes de la red cristalina recien formada.

A la vacante que resulte se le llama hueco, y esta representado por un pequeiio circulo o signo positivo debido a la ausencia de una carga nega- tiva. Por tanto, la vacante resultante uceptarh con facilidad un electron "libre": A las impurezas difundidas con tres electrones de valencia se les conoce como atomos aceptores.

El material resultante tip0 p es elkctricamente neutro, por las mismas razones descritas para el material tipo n. Flujo de electrones cornparado con flujo de huecos El efecto del hueco sobre la conducci6n se muestra en la figura 1. Si un elecuon de valencia adquiere suficiente energia cinhtica para romper su union covalente y llena un hueco.

Sin embargo, existe una trans- ferencla de huecos hacia la izquierda y de electrones hacia la derecha. Las "vacantes" dejadas a t r b en la estructura de uniones covalentes representan una canti- dad muy limitada de huecos. En un material tip0 n , el numero de huecos no ha cambiado de manera significativa de su nivel intrinseco. El resultado neto. Por esta razon: En un material tipo n guru 1. Para el material tipo p el numero de huecos snpera por mucho el nlimero de electrones, como se muestra en la figura 1.

Por tanto: En un material tipo p el hueco es elporfador mayoritario y el electrbn es el portador minoritario. Cuando el quinto electron de un itomo donor deja a su btomo, el atomo restante adquiere una carga positiva neta: Por razones anilogas, el signo negativo aparece en el ion aceptor. Los materiales tip0 n y p representan 10s bloques de construcci6n bisicos de 10s dispositi- vos semiconductores.

En la siguiente seccion se encontrari que la "union" de un solo material tipo n con nn material tipo p tendri por resultado un elemento semiconductor de imponancia considerable en 10s sistemas electr6nicos. El diodo semiconductor se forma con so10 juntar estos materiales constmidos en la misma base: Ge o Si , segun se muestra en la figura 1.

En el mo- mento en que son "unidos" 10s dos materiales, 10s electrones y 10s huecos en la region de la unidn se combinan, dando por resultado una falta de portadores en la region cercana a launion. A esta region de iones positivos y negatives descubierros se le llama region de agoramiento, debido a1 agotamienro de portadores en esta regibn.

Como el diodo es un dispositivo de dos terminales, la aplicacion de un voltaje a travCs de sus teminales permite tres posibilidades: Cada una es una condition que dart4 un resultado que el usuario debera comprender con claridad para que el dispositivo se aplique en forma efectiva.

Flulo de ponadores mayoritarios. Mientras m h cercano se encuentre el portador minoritario a la union, mayor sera la auacci6n de la capa de iones negativos y menor la oposici6n de los iones positivos en la regi6n de agotamiento del material tipo n.

Con la idea de que surjan anaisis futuros, se supone qne todos 10s portadores minoritarios del material tipo n que se localizan en la region de agota- miento debido a su movimiento aleatorio pasaran directamente a1 material tipo p. Se puede considerar que alga similar pasa con 10s portadores minoritarias electrones del material tipa p. Este flujo de portadores se indica en la figura 1. I4 para 10s portadores minoritarios de cada material.

Los portadores mayoritarios electrones del material tipo n deben sobreponerse alas fuer- zas de atraccidn de la capa de iones positivos del material tipo n, y a la capa de iones negativos en el material tipa p , con el fin de migrar hacia el fuea localizada mis alli del k e a de agota- miento del material tipop. Sin embargo, en el material tipo n el nhmero de portadores mayori- tarios es tan grande que invariablemente habra un pequeiio nhmero de portadores mayoritarios con suficiente energia cinttica para pasar a traves de la region de agotamiento hacia el material tipo p.

Una vez mas, la misma consideraci6n se puede aplicar a 10s portadores mayoritarios huecos del material tipop. El flujo resultante debido a 10s portadores mayoritarios tambibn se describe en la figura 1.

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Si se examina con cuidado la figura 1. Esta cance- laci6n de 10s vectores se indica por medio de las lineas cruzadas. La longitud del vector que representa el flujo de huecos se dibuj6 en una escala mayor que el flujo de 10s electrones con objeto de demostrar que la magnitud de cada uno no necesariamente debe ser la misma para la cancelacion del flujo, y que 10s niveles de dopado para cada material pueden dar coma resulta- do un flujo de portadores desigual de electrones y huecos.

En resumen: En ausencia de un voltnje depolarimci6n aplicado, eljlujo neto de la carga en cwlquier direcci6n para un diodo semiconductor es cero. Observe que la flecha esta asociada con el componente tipo p y la barra con la regi6n de tipo n. Por razones similares, el ndmero de iones negatives se incrementara en el material tipo p. El efecto neto, por tanto, es una ampliacion de la regi6n de agotamiento. Dicha ampliaci6n establecera una barrera de potencial demasiado grande para ser superada por 10s ponadores mayoritarios, ademb de una reducci6n efectiva del flujo de 10s portadores mayoritarios a cero, como se muestra en la figura 1.

I p u Renion de agotamiento n I Figom 1.

Sin embargo, el ndmero de portadores minoritarios que estin entrando a la regi6n de agotamiento no cambiaran, y dan como resultado vectores de flujo de portadores minoritarios de la misma magnitud que sin voltaje aplicado, como lo indica la figura 1. A la com'ente que existe bajo las condiciones de polarizacibn inversa se le Uama com'ente de saturacwn inversa, y se representa mediante Is.

La comente de saturaci6n inversa rara vez es mayor que unos cuantos microamperes, con excepci6n de 10s dispositivos de alta potencia. De hecho, en afios recientes se encontr6 que su nivel esta casi siempre en el rango de nanoamperes para dispositivos de silicio, y en el rango de microamperes para el gerrnanio.

Las condiciones de polarizacion inversa se describen en la figura 1. Observe, en panicular, que la direcci6n de 5 es contra la flecha del simbolo. A su vez, que el potencial negativo esta conectado al material tip0 p y el potencial positivo al material tipo n, y que la diferencia en las literales subrayadas para cada regi6n revela una condici6n de polarizaci6n inversa. Por tanto, para mayor referencia: La aplicacion de un potencial de polarizaci6n directa V, "presionarP los electrones en el material tipo n y 10s huecos en el material tipop para que se recombinen con 10s iones cercanos a la union y reducira el ancho de la region de agotamiento como se indica en!

El flujo de electrones, portadores minoritarios, del material t i p p al material t i p n y de 10s huecos del material tipo n al material tipo p no ha cambiado en magnitud debido a que el nivel de conduccion se encuentra controlado basicamente par el numero limitado de impurezas en el material , pero la reduccion en el ancho de la region de agotamiento ha generado un gran flujo de portadores mayoritarios a traves de la union.

Ahora, un electron de material tip0 n "observa" una barrera muy reducida en la union. Observe que la escala vertical de la figura 1. Por tanto, en general, el voltaje a traves de un diodo de polarization directa sed de menos de 1 V. Observe tambiin la rapidez con que se incrementa la coniente despues del punto de inflexi6n de la curva de respuesta. A travLs del empleo de la fisica del estado dlido se puede demostrar que las caracteristi- cas generales de un diodo semiconductor se pueden definir mediante la ecuacion siguiente para las regiones de polarizaci6n directa e inversa:.

I9 se ofrece una grifica de la ecuacion 1. Si se expande la ecuacion I A en la forma siguiente, se puede describir con facilidad el componente de contribuci6n para cada region de la figura 1.

Para valores positivos de VD,el primer tkrtnino de la ecuacion anterior creced con mayor rapidez. Observe en la figura 1. Esto se debe a la resistencia intema del "cuerpo" y a la resistencia externa de "contacto" de un diodo.

Con el tiempo, mientras se mejoran 10s metodos de producci6n, esta diferen- cia disminuiri y las caracteristicas reales se aproximarh a aquellas de la secci6n 1. Es importante observar el cambio en la escala para 10s ejes vertical y horizontal. Para 10s valores positivos de I,. Para VD, la escala para 10s valores positivos esti en dtcimas de volts y para 10s valores negativos la escala es en decenas de volts.

En un principio, la ecuacidn 1. Sin embargo, afortuuadamente en una secci6n posterior se ha16 un n6mero de aproximaciones que eliminari la necesidad de aplicar la ecuacion I. Antes de dejar el tema del estado de polarizacidn directa, las condiciones para la conduccion el estado "encendido" se repiten en la figura 1.

Regi6n Zener Figura 1. La coniente se incrementa. El potencial de polarization inversa que da como resultado este cambio muy drastic0 de las caracteristicas se le llamaporencial Zener y se le da el simbolo V,. Esto es, se genera6 un proceso de ionizacibn por medio del cual 10s electrones de valencia absorben suficiente energia para dejar su itomo. Dichos portadores adicionales pueden luego ayudar a1 proceso de ionizacion, hasta el punto en el cual se estable- cr una gran corriente de avalancha que determina la region de ruptura de avalancha.

La region de avalancha V, se puede acercar al eje vertical a1 incrementar 10s niveles de: Sin embargo, mientras VZ disminuye a niveles muy bajos. Esto ocurre debido a que existe un fuene campo elictrico en la regi6n de la union que puede superar las fuerzas de union dentro del dtomo y "generar" ponadores.

Aunque el. Estos diodos se describen en la secci6n 1. La region Zener del diodo semiconductor descrito se debe evitar si la respuesta de un sistema no dehe ser alterada completamente por el severo cambio en las caractensticas de esta regi6n de voltaje inverso.

El mirrimo potencial de polarizacibn inversa que puede ser aplicado antes de entrar a la region Zener se conoce como voltaje pico inverso referido simplemente como el valor PZV,por las iniciales en ingl6s de: Peak Reverse Voltage.

Si una aplicaci6n requiere de un valor PIV mayor que el de una sola unidad, se deberl conectar en sene un numero de diodos de la misma caracteristica. Los diodos tambikn se conectan de manera paralela para aumentar la capacidad de transpone de comente.

Silicio en funcibn de germanio Los diodos de silicio tienen. Los valores PIV para el silicio pueden encontrarse en la vecindad de V, mientras que el valor maximo para el germanio esta mas cerca de 10s V. El silicio puede utilizarse para aplicaciones en las cuales la temperatura puede aumentar a cerca de "C O F , mientras que el germanio tiene un valor maximo mucho menor OC. Sin embargo, la desventaja del silicio, comparado con el germanio, segun se indica en la figura 1. La mayor variation para el silicio se debe, basicamente, al factor q en la secci6n 1.

Este factor toma pane en la determination de la forma de la curva so10 en niveles de coniente muy bajos. Una vez que la curva empieza su crecimiento vertical, el factor q cae a 1 el valor continuo del germanio. Esto es evidente por las similitudes en las curvas una vez que el potencial de conduccion se ha alcanzado. El potencial por el cual ocurre este crecimiento se conoce comopotencial de conduccibn de umbral o de encendido. Con frecuen- cia, la primera letra de un termino que describe una cantidad en particular se usa en la notaci6n para dicha cantidad.

Sin embargo, para asegurar un rninimo de confusion con otros ttrminos, como el voltaje de salida V,, por las iniciales en inglts de: En resumen:.

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Obviamente, mientras m8s cercana al eje vertical es la excursion, m b cerca de lo "ideal" esta el dispositivo. Sin embargo. Efectos de la temperatura La temperatura puede tener un marcado efecto sobre las caracteristicas de un diodo semiconductor de silicio, segdn se comprob6 mediante un diodo de silicio tipico en la figura 1.

A pmir de mliltiples experimentos se encontro que: La corriente de saturacibn inversa serir casi igual a1 doble en magnitudpor cada 10 'C de increment0 en la temperatura. No es poco frecuente que un diodo de germanio con un i,del orden de 1 o 2 p. Los niveles de comente de esta magnitud en la region de polarization inversa con seguridad cuestionanian la condition deseada de circuito abieno en la region de polarizaci6n inversa.

Los valores tipicos de I3 para el silicio son mucho menores que parz el germanio para unos niveles similares de potencia y comente, segun se most16 en la figura 1.

El resnltado es que afin a mayor tempe- ratura, 10s niveles de I, para 10s diodos de silicio no alcanzan 10s mismos altos niveles que para el germanio, una razon muy importante para qne 10s dispositivos de silicio tengan un nivel significativamente mayor de desarrollo y utilizacidn en el disetio. Fundamentalmente, el equi- valente de circuito abierto en la region de polarization inversa es mejor a cnalquier temperatu- ra con silicio en lugar de germanio.

Los niveles de Is aumentan a mayor temperatura con niveles menores del voltaje de umbral, como se muestra en la figura 1. Simplemente, al incrementar el nivel de ITen la ecuacion 1. Mientras la temperatura mejora las caracteristicas en pola1izaci6n directa, en realidad se convienen en caracteristicas m h "ideales", pero cuando se revisan las hojas de espe- cificacion se encuenm que las temperahwas m L all6 del rango de operaciou normal pueden tener un efecto muy perjudicial en 10s niveles de potencia y corriente m6xima.

Cuando el punto de operation de un diodo se mueve desde una region a otra, la resistencia del diodo tambitn carnbiari debido a la forma no lineal de la curva caractenstica. En 10s siguientes p h a f o s se demostrar6 como el tipo de voltaje o setial aplicado definira el nivel de la resisten- cia de interts.

Se presentah tres niveles diferemes en esta section, pero aparecerh de nuevo cuando se analicen otros dispositivos. Por tanto, es muy importante que su determinacion se comprenda con ciaridad. La resistencia del diodo en el punto de operacibn puede encontrarse con so10 localizar 10s niveles correspondientes de VDe ID coma se muestra en la figura 1.

Los niveles de resistencia en dc en el punto de inflexion y hacia abajo seran mayores que 10s niveles de resistencia que se obtienen para la seccion de crecimiento vertical de las carac- tm'sticas. Coma es natural, 10s niveles de resistencia en la region de polarizacion inversa serin muy altos. Debido a que, par lo regular, 10s ohmetros utilizan una fuente de comente relativa- mente constante, la resistencia deteminada seri en el nivel de corriente predeteminado casi siempre unos cuantos miliamperes.

I Determine los niveles de resistencia en dc para el diodo de la figura 1. I Fwra 1. Resistencia en ac o dintmica A partir de la ecuacion 1. Si se aplica una entrada senoidal en lugar de una entrada de dc, la situation cambiari por comple- to. La entrada variante desplazara de manera instanthea el punto de operation hacia arriba y abajo en una region de las caractensticas y, por tanto, define un cambio especifico en coniente y voltaje, como lo muestra la figura 1.

Sin tenet una sefial con variacion aplicada, el punto de operation sena el punto Q que aparece en la figura 1.

La designacion del punto Q se deriva de la palabra estable por la inicial en inglCs de: Linea langente. Una linea recta dibujada tangencialmente a la c w a a traves del punto Q, como se muestra en la figura 1. Se debe hacer un esfuerzo para mantener tan pequefio y equidistante como sea posible el cambio en ei voltaje y en la comente a cualquier lado del punto Q.

En forma de ecuacion,. Mienuas mayor sea la pendiente, menor sera el valor de AVd para el mismo cambio en Aid y - de crecimiento vertical de la caracteris- menor sera la resistencia. AV,, Figura 1. Se ha encontrado la resistencia dinamica en forma grifica, per0 existe una definicion basica en el ciilculo diferencial que establece: La derivada de una funcibn en un punto es igual a la pendiente de la linea tangente dibujada en dicho punto.

Por tanto, la ecuacion 1. Si se encuentsa la derivada de la ecuaci6n general 1. Es decir, tornando la derivada de la ecuacion 1. No hay necesidad de tener las caractensticas disponi- bles o de preocuparse por trazar lineas tangenciales corno se defini6 en la ecuacion 1.

Sin embargo, es imponante considerar que la ecuacion 1. Para valores menores de ID,. Para 10s valores pequeiios de IDpor abajo del punto de inflexidn de la curva, la ecuacion 1. Todos 10s niveles de resistencia que se han deteminado hasta ahora han sido definidos para la union p-n y no incluyen la resistencia del material semiconductor en si Ilamada resis- tencia del cuerpo.

Estos niveles de resistencia adicionales pueden incluirse en la ecuacidn 1. Por tanto, la resistencia r, incluye la resistencia dinamica defini- da por la ecuaci6n 1. El factor rBpuede tener un rango tipico desde 0. Para el ejemplo 1. Utilizando la ecuaci6n 1. La diferencia de aproximadamente 1 Q se debe tomar como una contribution de r,.