3._Semiconductores

ING. JUAN INGA ORTEGA

ELECTRÓNICA ANALÓGICA I

3. EL DIODO


La importancia de los semiconductores en los avances tecnológicos ha sido vital pues a partir del uso de estos materiales hoy en día encontramos un gran número de dispositivos electrónicos que basan su funcionamiento en los semiconductores, incluso se puede llegar a decir que todo lo que usamos en la actualidad usa semiconductores.

INTRODUCCIÓN


Todo átomo en su parte periférica posee un grupo de partículas que giran alrededor del núcleo llamadas electrones.

Los mismos que pueden ser:

Ligados al núcleo

Electrones de valencia

ESTRUCTURA ATÓMICA


Los electrones de valencia permiten la siguiente clasificación de materiales:

Conductores

Aislantes

Semiconductores

ESTRUCTURA ATÓMICA


Hueco o laguna: es el espacio que deja un electrón al salirse de su órbita.

Para que un electrón deje su órbita se deba aplicar una fuerza a la materia; esta fuerza puede ser la luz, el calor, el

voltaje, la presión, etc.

La estructura atómica de la materia determina que: Todo material está constituido por tres bandas, zonas o niveles de energía.

ESTRUCTURA ATÓMICA


Banda de Conducción: espacio en el que se encuentran las cargas positivas, es decir, existen menor cantidad de electrones y hay mayor cantidad de huecos.

Banda de valencia: dimensión en la que están las cargas negativas, o donde, hay la mayor cantidad de electrones.

Banda prohibida: aquella que no posee ninguna carga. Es el punto neutro.

ESTRUCTURA ATÓMICA


ESTRUCTURA ATÓMICA

Fuente: [2]


ESTRUCTURA ATÓMICA

Fuente: [2]


ESTRUCTURA ATÓMICA

Fuente [1]


La banda prohibida es la que se opone al salto de electrones de la banda de valencia hacia la de conducción.

Banda Prohibida Grande o demasiado Grande|-> Aislante

Banda Prohibida Pequeña o Banda de Conducción Grande

|-> Conductor Banda Prohibida equilibrada con las otras dos

|-> Semiconductor

ESTRUCTURA ATÓMICA


El semiconductor más utilizado es el silicio porque es un material más estable que el germanio.

Tanto el silicio como el germanio son materiales tetravalentes, poseen 4 electrones en su última capa u órbita.

SEMICONDUCTORES

Los Semiconductores puros son llamados intrísecos.

Fuente: [2]


Los Semiconductores intrínsecos pueden ser “contaminados” con impurezas en mínimas proporciones, una partícula por millón, este proceso se llama dopaje.

Se obtienen dos tipos de semiconductores dopados:

Semiconductores Tipo N

Semiconductores Tipo P

SEMICONDUCTORES


Se llaman tipo N porque tiene mayor cantidad de electrones.

Para obtener este tipo de silicio se mezcla al silicio con un material pentavalente (impureza). En el elemento que se producen los enlaces sobre un electrón.

Arsénico Antimonio Familia VA Fósforo.

SEMICONDUCTORES TIPO N


SEMICONDUCTORES

Material tipo N también es llamado Donador de Electrones

Fuente: [1]


Tienen este nombre debido a que poseen mayor cantidad de lagunas

Para obtener este tipo de silicio se mezcla al silicio con un material trivalente.

Materiales Usados Aluminio Galio Familia IIIA Indio

SEMICONDUCTORES TIPO P


SEMICONDUCTORES

Material tipo P también es llamado Aceptador de Electrones

Fuente: [1]


En el instante de la unión de los dos materiales se produce un intercambio de electrones entre los dos tipos.

El intercambio es del tipo N al tipo P y viceversa del material tipo P al tipo N; creándose al centro una zona neutra, característica de los semiconductores, llamada BARRERA DE POTENCIAL.

EL DIODO UNIÓN P - N

Fuente: [1]


Polarizando el diodo como en la gráfica, se logra que los electrones salten de N a P (polos del mismo nombre se repelen y polos de diferente nombre se atraen),

Movimiento de Electrones -> circulación de corriente

EL DIODO – Polarización Directa


No se repelen los electrones, sino más bien son atraídos hacia los extremos del semiconductor haciendo que aumente la barrera de potencial y sea más difícil el salto de los electrones del silicio N al P; por lo que no existe circulación de la corriente.

Mayor Voltaje, Mayor Barrera de Potencial en polarización inversa.

EL DIODO – Polarización Inversa


Si seguimos aumentando el voltaje, llegará un momento en el que los electrones tengan la suficiente energía para saltar la barrera de potencial, a pesar de que esta sea grande, pero dado que el voltaje es elevado la circulación de corriente también será elevada provocando la destrucción del semiconductor.

EL DIODO – Efecto Avalancha


CURVA CARACTERÍSTICA

pero si se cambia la polarización se comporta el diodo como un aislante circulando una intensidad despreciable.

En polarización directa, se comporta el diodo como conductor y circulará una corriente.

La Is o corriente de fuga para el Si es de 1nA y para el de Ge es de 10nA.


CURVA CARACTERÍSTICALa Ecuación de la Curva Característica es .

Donde ID = Corriente del diodoDonde Is = Corriente de saturaciónDonde VD = Voltaje del diodoDonde Tk= Temperatura Kelvin, Tk = TC +273°Donde k = 11604/η, con η = 1 para Ge y η = 2 para Si

1

/kT

DVk

eSI

DI


CURVA CARACTERÍSTICALa Ecuación de la Curva Característica es .

Donde k = 11604/η, con η = 1 para Ge y η = 2 para Si

11604 ≈ carga útil de 1 electrón/ Cte de Boltzman

11604 ≈ 1,602 E-19 C / 1.38065E-23

VT= Cte de Boltzman*Tk/carga útil de 1 electrón

/

/( * )

1

1

D

D T

kV TkD S

V n VD S

I I e

ó

I I e


CURVA CARACTERÍSTICACon esta ecuación se puede simular la curva característica para polarización directa para el diodo de silicio:

1

/kT

DVk

eSI

DI

E(v) VD(v) ID(mA)0,17 0,17 00,82 0,52 0,21,5 0,57 0,72 0,6 1,22,5 0,62 1,73 0,625 2,083,4 0,633 2,44 0,64 3,034,5 0,648 3,535 0,658 4,3310 0,689 9,715 0,71 15,2


CURVA CARACTERÍSTICALa gráfica obtenida será:

1

/kT

DVk

eSI

DI

Curva característica del Diodo de Silicio

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 0,2 0,4 0,6 0,8

VD (V)

ID (

mA

)

Curva característica del Diodo


CURVA CARACTERÍSTICACon esta ecuación se puede simular la curva característica para polarización directa para el diodo de germanio:

1

/kT

DVk

eSI

DI

E(v) Vd(v) Id(mA)0,5 0,15 01 0,25 0,51,5 0,31 0,92 0,36 1,52,5 0,4 1,93 0,44 2,43,5 0,48 34 0,51 3,44,5 0,54 3,95 0,58 4,510 0,85 9,615 1,07 14,8


CURVA CARACTERÍSTICALa gráfica obtenida será:

1

/kT

DVk

eSI

DI

Curva Careterística del Diodo de Germanio

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 0,3 0,6 0,9 1,2VD (V)

ID (

mA

)

Curva Careterística del Diodo


Si al diodo de Ge, se le aumenta la temperatura la curva característica de este varía rápidamente mucho más que en el de Si

Además, poco tiempo después de que su temperatura empiece a elevarse, este diodo ya empieza a conducir negativamente debido el Ge es menos estable.

Este fenómeno sucede debido a que con el aumento de la temperatura del diodo recibe una excitación externa al flujo de electrones que produce la tensión aplicada al diodo.

Esto hace que un número de electrones supere la barrera de potencial y así el diodo pueda conducir más rápido es decir con menor cantidad de voltaje.

Cambio de Temperatura en el Diodo


Idealmente un diodo para que permita el flujo de la corriente, su resistencia debería de ser 0Ω, mientras que para la región de polarización indirecta sería ∞Ω.

Sin embargo se ha analizado que el diodo empieza a conducir a partir de un nivel de voltaje, lo que indica que existe una cantidad de oposición de la corriente antes de llegar a la tensión de conducción.

Lo Ideal vs lo Real


Debido a la forma de la curva del diodo, significa que la resistencia varía y dependerá del tipo de voltaje aplicado.

Niveles de Resistencia

RESISTENCIA ESTÁTICAAl aplicar una tensión continua, fluirá una corriente constante a través del dispositivo y por tanto presentará una resistencia también constante

DD

D

VR

I


Niveles de ResistenciaPara todo valor menor a a VD, por tanto a ID, la resistencia será menor

DD

D

VR

I


Resistencia DinámicaAl aplicar una señal de tipo cambiante como una senoidal se tendrá por tanto que el punto de operación cambiará en función de esta Señal.

Esto indica que existirá un cambio en la corriente y la tensión de forma específica




dd

d

Vr

I

A mayor inclinación, menor es el cambio de voltaje con respecto al de la corriente, menor Resistencia.

A menor inclinación, mayor es el cambio de voltaje con respecto al de la corriente, mayor Resistencia.


Se puede determinar la resistencia dinámica aplicando el concepto geométrico de la derivada a la ecuación de la corriente del diodo


RECORDANDO:

Donde k = 11604/η, con η = 1 para Ge y η = 2 para Si.η Factor de idealidad11604 ≈ carga útil de 1 electrón/ Cte de Boltzman11604 ≈ 1,602 E-19 C / 1.38065E-23VT= Cte de Boltzman*Tk/carga útil de 1 electrónVT=Voltaje térmico

/

/( * )

1

1

/ 1/ ( * )

D

D T

kV TkD S

V n VD S

T

I I e

I I e

k Tk n V


Se puede determinar la resistencia dinámica aplicando el concepto geométrico de la derivada a la ecuación de la corriente del diodo


/ * 11

*

D TV n V

D

d D D

D D s

D T

d Is ed I

r dV dV

d I I I

dV n V

/ 1DkV TkD SI I e Para ID>>Is

*

*

D D

D T

D Td

D D

d I I

dV n V

dV n Vr

d I I

Para un diodo de Silicio a 27°C

26d

D

mVr

I


Para generalizar se tiene:


rB = Resistencia del Material, que varía de 0,1Ω para dispositivos de alta potencia, hasta 2Ω para ciertos diodos de uso general de baja potencia

Resistencia CA Promedio: Se obtiene de la recta trazada entre los dos puntos de operación

26d B

D

mVr r

I


Resistencia AC promedio


Resumen Resistencia del Diodo


Una técnica para obtener un circuito equivalente de un diodo es simular con más o menos precisión las características del dispositivo mediante segmentos de línea recta.

El circuito resultante equivalente se llama circuito equivalente lineal por segmentos.

En esencia, define el nivel de resistencia del dispositivo cuando se encuentra en el estado de “encendido”.

Circuito Lineal equivalente por elementos


El diodo ideal se incluye para establecer que sólo hay una dirección de conducción a través del dispositivo.

Como un diodo semiconductor de silicio no alcanza el estado de conducción hasta que VD alcanza 0.7 V con una polarización en directa. La batería especifica que el voltaje a través del dispositivo debe ser mayor que el voltaje de umbral de la batería antes de la conducción a través del dispositivo antes de que se pueda establecer la dirección dictada por el diodo ideal.

Cuando se establezca la conducción, la resistencia del diodo será el valor especificado de rprom.

Circuito Lineal equivalente por elementos


En la mayoría de las aplicaciones, la resistencia rprom es suficientemente pequeña para ser ignorada en comparación con los demás elementos de la red.

La eliminación de rprom del circuito equivalente es lo mismo que suponer que las características del diodo son:

Circuito Lineal equivalente simplificado


El diodo ante la presencia de frecuencia presenta niveles de capacitancia parásita, donde es importante considerarlos.

En la región de polarización en inversa está la capacitancia de transición CT mientras que en la directa está la capacitancia de almacenamiento CD

Capacitancia de Difusión y Transición


Debido a que en polarización inversa las cargas positivas y negativas respectivamente se alejan de la barrera de potencial es que se genera el efecto capacitivo de CT

En Directa CD >> CT y en inversa sucede lo contrario.

El efecto capacitivo aparece ante señales de baja potencia y a frecuencias altas

Capacitancia de Difusión y Transición


Tiempo de Recuperación en Inversa Si a un diodo que se encuentra trabajando en

polarización directa se invierte la misma, se espera que en seguida el diodo deje de conducir, y los portadores deben retroceder a la posición original, lo cual demanda una determinada cantidad de tiempo ->trr o tiempo de recuperación


Circuitos Recortadores, recortan una porción de señal de entrada. En el siguiente ejemplo, se realiza un recorte para +6V y -9V

Circuitos Recortadores de Tensión


Circuitos Fijadores


También conocidos como diodos de Avalancha.

En polarización directa, estos diodos trabajan de forma similar a los diodos de unión NP ya analizados.

En polarización indirecta el diodo Zener permite la conducción de corriente a partir del voltaje de ruptura, tomando en cuenta que teóricamente el voltaje no cambiará.

Diodos Zener


Diodos Zener

Cuando se polariza inversamente, de igual forma el voltaje de ingreso va aumentando hasta alcanzar el voltaje Zener, es decir el valor de la tensión para el cual el Zener funciona como estabilizador.Si seguimos aumentando el voltaje de ingreso el Zener se mantiene con la tensión constante, y solo variara la corriente que circula por el mismo (Izr=Corriente Inversa).


Diodos ZenerPara que el Zener funcione como estabilizador, además de la tensión necesita de una corriente mínima de 5mA.

En un circuito con diodo zener es necesario de una resistencia limitadora (RL) necesaria para limitar la corriente del zener y de la carga, ya que si el voltaje de ingreso es superior al del diodo zener, el exceso de voltaje se quedaría en la resistencia, caso contrario el diodo zener se quemaría.


Existe una pequeña inclinación en Vz una vez que se llega a alcanzarlo.

Diodo Zener Curva Característica

curva característica con el modelo equivalente de cada región


Diodos Zener


Diodos ZenerEl potencial de un diodo Zener se encuentra estrechamente ligado a la temperatura de operación.


Diodos Zener Analizar Vo vs VI en los siguientes circuitos


Diodos Zener Analizar el siguiente circuito

Vth= Vi/Vs -> R1 =R2Req = R1||R1

Semiciclo positivo:DZ1->inversoDZ2-> directoVi = 2(Vz+VD2)

Semiciclo negativo:DZ1->directoDZ2-> inversoVi = -2(Vz+VD1)

1

2


Rectificador de Media Onda

R

VmIDIR

VVVm

VdVV

VpVR

VpVpp

VeffVp

max

318.0max

max

max

2

2

Para efectos de diseño IRIRIRID3

4

3

1


Rectificador de Onda Completa – Transformador de toma central


Rectificador de Onda Completa – Transformador de toma central

2

2

max 2

max 1 2

2 maxmax 0.636

Vp Veff

Vpp Vp

VR Vp VD

V Vp Vp VD

VVm V

4 2

3 2 3sec *

VmIR

RIR

ID IR

P Veff IR


Rectificación con Puente de Graetz

Para el presente circuito, se muestra la conducción de los diodos 2 y 3 para el semi-ciclo positivo



Para el presente circuito, se muestra la conducción de los diodos 1 y 4 para el semi-ciclo positivo



IRVeffPT

IRID

VpVR

VV

Vm

VDVpV

Veffvp

2

max

max318.02max2

2max

2


Fuente de Tensión con Filtro

C=I/(F * ΔV)

El condensador depende de Vmax


Fuente de Tensión con Filtro

C=I/(F * ΔV)

El condensador depende de Vmax

Para una Rectificación de Onda Completa se tendría:

Aparecerá un Vm o voltaje medio del condensador:

max2

VVm VC


Fuente de Tensión Estabilizada El Zener absorbe variaciones de corriente. Al colocar un zener con un Vz menor al del

condensador se obtiene una tensión continua

Ic

max2

min

VVm VC

Vm VzRL

IRLIRL Ic Iz


Circuitos Reguladores de Tensión

Las fuentes de alimentación sencillas construidas con un transformador cambian con la corriente de la carga y con la tensión de la línea, y además presentan una cantidad significativa de rizado a la frecuencia de la red.

Tipos:

reguladores lineales: reguladores conmutados: Reguladores de tensión fija tri – terminal (Regulador Lineal):


Circuitos Reguladores de Tensión Reguladores de tensión fija tri – terminal (Regulador Lineal): Típicos de tres terminales. Están ajustados para proporcionar una tensión de salida constante.

µA78XX (positivos) o µA79XX (negativos) de Fairchild. Los dos últimos dígitos indicados por XX indican la tensión de salida y pueden ser 05, 06, 08, 12, 15, 18 y 24 V.


Circuitos Reguladores de Tensión Reguladores de tensión fija tri – terminal (Regulador Lineal):

EL voltaje de la entrada debe ser de por lo menos 2.5V aproximadamente.


Circuitos Reguladores de Tensión Reguladores de tensión variable tri – terminal (Lineal): Ajustar la tensión de salida por medio de resistencias externas conectadas al terminal denominado ADJUSTMENT o ADJ.

Los productos más utilizados de este tipo es el LM317 (positivo) y LM337 (negativo).

Para evitar un posible ruido en la señal de salida del integrado, en la carga concretamente colocamos un condensador de 1μF en paralelo a la carga.


Circuitos Reguladores de Tensión El LM317 posee internamente una referencia de tensión que proporciona un VREF=1.25 V (typ) entre los terminales OUT y ADJ y está polarizado por una fuente de corriente estable de IADJ= 65µA (valor típico).

Una buena aproximación es considerar que la corriente IADJ (65µA) es muy inferior a las corrientes (mA) que circulan por las resistencias R1 y R2. Y la ecuación se reduce a:

22

11 RIADJVREFR

RVo

VREFR

RVo

2

11


Fuentes Dobles de Tensión


[1]: BOYLESTAD R., NASHELSKY L.; “Electrónica: Teoría de

Circuitos y Dispositivos Electrónicos”; Décima Edición; Prentice Hall, 2009.

[2]: Varios Autores, “Módulos de aprendizaje del ITSS”, 2002.

[3]: VILLALBA MADRID G., ZAMORA IZQUIERDO M., “Circuitos con diodos”,

Departamento de Ingeniería de la Información y Comunicaciones de la

Universidad de Murcia,

[4]: ACOSTA A, DEL RÍO R., RODRÍGUEZ A., “Electrónica Básica – Diodos

de Unión”

Bibliografía

Documents

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