Transcript Diodos

Diodo
I
+
V
-
Introducción a la física de estado sólido: semiconductores
Semiconductor intrínseco
Si
Si
Si
0ºK
Si
Si
Si
Si: silicio
Grupo IV de la
tabla periódica
Si
Si
Si
Introducción a la física de estado sólido: semiconductores
Semiconductor intrínseco
Si
Si
Si
0ºK
Si
Si
300ºK
+
Si
Electrón
Hueco
Si
Si
Si
Introducción a la física de estado sólido: semiconductores
Semiconductor intrínseco: acción de un campo eléctrico
-
+
Si
-
+
Si
Si
+
+
Si
+
Si
Si
-
+
-
+
-
Si
Si
Si
+
Introducción a la física de estado sólido: semiconductores
Semiconductor intrínseco: acción de un campo eléctrico
Conclusiones:
La corriente en un semiconductor es debida a dos tipos de
portadores de carga: HUECOS y ELECTRONES
La temperatura afecta fuertemente a las propiedades
eléctricas de los semiconductores:
mayor temperatura  más portadores de carga  menor resistencia
Introducción a la física de estado sólido: semiconductores
Semiconductor extrínseco: TIPO N
Sb: antimonio
Si
Si
Si
Si
Sb
Si
Si
+
Si
Si
Si
Impurezas del
grupo V de la
tabla periódica
Es necesaria muy
poca energía para
ionizar el átomo
de Sb
A temperatura ambiente todos los átomos de impurezas se encuentran ionizados
Introducción a la física de estado sólido: semiconductores
Semiconductor extrínseco: TIPO N
Sb
+
Sb
+
Sb
+
Sb
+
Electrones libres
Sb
+
Impurezas grupo V
Sb
+
Sb
+
Sb
+
Sb
+
Sb
+
Sb
+
Sb
+
Sb
+
Sb
+
Sb
+
Sb
+
300ºK
Átomos de impurezas ionizados
Los portadores mayoritarios de carga en un semiconductor tipo N son
electrones libres
Introducción a la física de estado sólido: semiconductores
Semiconductor extrínseco: TIPO P
Al: aluminio
Si
Si
Si
Si
Al
Si
Si
-
+
Si
Si
Si
Impurezas del
grupo III de la
tabla periódica
Es necesaria muy
poca energía para
ionizar el átomo
de Al
A temperatura ambiente todos los átomos de impurezas se encuentran ionizados
Introducción a la física de estado sólido: semiconductores
Semiconductor extrínseco: TIPO P
Al
-
Al
-
Al
-
Huecos libres
Al
-
Al
-
Impurezas grupo III
Al
-
Al
Al
-
Al
-
Al
-
Al
-
Al
-
Al
Al
-
Al
-
Al
-
300ºK
Átomos de impurezas ionizados
Los portadores mayoritarios de carga en un semiconductor tipo P son
Huecos. Actúan como portadores de carga positiva.
La unión P-N
La unión P-N en equilibrio
-
-
-
-
-
-
-
-
Semiconductor tipo P
+
+
+
+
+
-
+
+
+
-
+
+
-
-
+
+
+
+
+
Semiconductor tipo N
+
La unión P-N
La unión P-N en equilibrio
Zona de transición
-
-
-
-
-
-
-
Semiconductor tipo P
+
-
-
+
+
+
+
-
+
+
+
-
+
+
-
-
+
+
+
+
+
+
Semiconductor tipo N
+
Al unir un semiconductor tipo P con uno de tipo N aparece una zona de
carga espacial denominada ‘zona de transición’. Que actúa como una
barrera para el paso de los portadores mayoritarios de cada zona.
La unión P-N
La unión P-N polarizada inversamente
P
-
-
-
-
-
-
-
+
-
+
+
+
+
-
+
+
+
-
+
N
+
+
-
-
+
+
+
+
+
+
La zona de transición se hace más grande. Con polarización inversa no hay
circulación de corriente.
La unión P-N
La unión P-N polarizada en directa
P
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
-
-
-
+
+
+
+
+
-
+
N
+
+
-
-
+
+
+
+
+
+
La zona de transición se hace más pequeña. La corriente comienza a
circular a partir de un cierto umbral de voltaje directo.
La unión P-N
La unión P-N polarizada en directa
P
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
-
-
-
Concentración de huecos
+
+
+
+
+
-
+
N
+
+
-
-
+
+
+
+
+
Concentración de electrones
+
La recombinación electrón-hueco hace que la concentración de electrones
en la zona P disminuya al alejarse de la unión.
La unión P-N
Conclusiones:
Aplicando un voltaje inverso no hay conducción de corriente
Al aplicar un voltaje en directo, en la unión es posible la
circulación de corriente eléctrica
P
N
DIODO SEMICONDUCTOR
Si juegan una carrera un diodo de
silicio y uno de germanio
¿Quién gana?
INCISO: Representación del componentes eléctricos en diagrama V-I
I
V
I
I
+
V
I
+
V
V
Corto
(R = 0)
Abierto
(R = ∞)
I
V
I
V
V
Batería
V
Resistencia
(R)
I
+
-
I
+
-
V
-
I
I
+
V
-
Fuente
Corriente
CARACTERÍSTICA DEL DIODO
Idealmente, permite corriente directa (se comporta como un cable) y bloquea o
no permite la corriente inversa (se comporta como un cable roto)
I
+
I
¡¡ PRESENTA UN
COMPORTAMIENTO
NO LINEAL !!
P
V
-
N
V
ANÉCDOTA
Un símil hidráulico podría ser una válvula anti-retorno, permite pasar el agua
(corriente) en un único sentido.
DIODO REAL
ánodo
p
i [mA]
cátodo
1
Ge
n
A
K
Símbolo
Si
V [Volt.]
-0.25
0
0.25
0.5
Silicio
Germanio
 VKDTq 
I D  I S   e
 1


IS = Corriente Saturación Inversa
K = Constante Boltzman
VD = Voltaje en el diodo
q = carga del electrón
T = temperatura (ºK)
ID = Corriente diodo
DIODO REAL (Distintas escalas)
Ge: mejor en conducción
Si: mejor en bloqueo
i [mA]
i [mA]
30
1
Ge
Si
Si
Ge
V [Volt.]
-0.25
0
0.25
V [Volt.]
0
-4
0.5
i [A]
i [pA]
V [Volt.]
0
-0.5
Ge
V [Volt.]
0
-0.5
Si
-0.8
-10
1
DIODO: DISTINTAS APROXIMACIONES
I
I
Solo voltaje
de umbral
Ge = 0.3
Si = 0.6
Ideal
V
I
V
I
Voltaje de umbral y
Resistencia directa
V
Curva real
(simuladores,
análisis gráfico)
V
DIODO: LIMITACIONES
Corriente máxima
I
Voltaje inverso
máximo
Límite térmico,
sección del conductor
Ruptura de la Unión
por avalancha
V
600 V/6000 A
200 V /60 A
1000 V /1 A
DIODO: Parámetros facilitados por fabricantes
id
IOmax
VR =
IOMAX (AV)=
VF =
IR =
VR =
IOMAX (AV)=
VF =
IR =
1000V
1A
1V
50 nA
100V
150mA
1V
25 nA
Voltaje inverso máximo
Corriente directa máxima
Caída de voltaje directo
Corriente inversa
Voltaje inverso máximo
Corriente directa máxima
Caída de voltaje directo
Corriente inversa
VR
iS
Vd
NOTA:
Se sugiere con un buscador obtener las
hojas de características de un diodo (p.e.
1N4007). Normalmente aparecerán varios
fabricantes para el mismo componente.
DIODO: Parámetros facilitados por fabricantes
i
Tiempo de recuperación inversa
iS
UE
+
UE
R
Bajafrecuencia
frecuencia
Alta
iS
trr = tiempo de recuperación inversa
A alta frecuencia se aprecia un intervalo en el cual el diodo conduce
corriente inversa.
DIODOS ESPECIALES
Diodo Zener (Zener diode)
Voltaje
Zener
(VZ)
La ruptura no es destructiva.
(Ruptura Zener).
En la zona Zener se comporta
como una fuente de Voltaje
(Voltaje Zener).
I
Necesitamos, un límite de
corriente inversa.
V
Límite máximo
Normalmente, límite
de potencia máxima
Podemos añadir al modelo lineal
la resistencia Zener.
Aplicaciones en pequeñas
fuentes de voltaje y referencias.
DIODOS ESPECIALES
Diodo LED (LED diode)
Diodo emisor de Luz = Light Emitter Diode
El semiconductor es un compuesto III-V (p.e. Ga As). Con la unión PN
polarizada directamente emiten fotones (luz) de una cierta longitud de
onda. (p.e. Luz roja)
A
K
DIODOS ESPECIALES
Fotodiodos (Photodiode)
i
V
0
iopt
Los diodos basados en compuestos III-V, presentan
una corriente de fugas proporcional a la luz incidente
(siendo sensibles a una determinada longitud de onda).
Estos fotodiodos se usan en el tercer cuadrante.
Siendo su aplicaciones principales:
Sensores de luz (fotómetros)
Comunicaciones
COMENTARIO
Los diodos normales presentan variaciones en la corriente
de fugas proporcionales a la Temperatura y pueden ser
usados como sensores térmicos
i
El modelo puede ser una fuente de
corriente dependiente de la luz o de
la temperatura según el caso
I = f(T)
V
T1
T2>T1
0
DIODOS ESPECIALES
Celdas solares (Solar Cell)
i
Cuando incide luz en una unión PN, la
característica del diodo se desplaza hacia el 4º
cuadrante.
En este caso, el dispositivo puede usarse como
generador.
VCA
V
Zona
uso
iCC
Paneles de celdas
solares
DIODOS ESPECIALES
Diodo Schottky (Schottky diode)
•Unión Metal-semiconductor N. Produciéndose el llamado efecto
schottky.
•La zona N debe estar poco dopada.
•Dispositivos muy rápidos (capacidades asociadas muy bajas).
•Corriente de fugas significativamente mayor.
•Menores voltajes de ruptura.
•Caídas directas mas bajas (voltaje de umbral  0.2 V).
•Aplicaciones en Electrónica Digital y en Electrónica de Potencia
El efecto Schottky fue predicho teóricamente en
1938 por Walter H. Schottky
ASOCIACIÓN DE DIODOS
Puente rectificador
Monofásico
Diodo de alto voltaje
(Diodos en serie)
+
Trifásico
+
DISPLAY
-
Electrónica de potencia
• Se puede definir como las aplicaciones de
la electrónica estado sólido para el control
y la conversión de energía eléctrica.
• La electrónica de potencia se basa
principalmente en la conmutación de
dispositivos semiconductores.
Superdispositivo de potencia
debería
1) tener un voltaje cero de estado cerrado,
2) resistir un voltaje infinito en estado
abierto,
3) manejar una corriente infinita, y
4) tiempo cero de cerrado y abertura; es
decir, una velocidad de infinita de
conmutación.
Electrónica de potencia
Aplicaciones
Tipos de electrónica (I)
Electrónica de
comunicaciones
Electrónica
Analógica
Tipos de electrónica (II)
Electrónica
Digital
Instrumentación
Electrónica,
Bioelectrónica...
Electrónica de potencia 
transformación de la energía eléctrica
Fuente
Primaria
- Red
- Baterías
- Panelas solares
- Generadores Eólicos
- Etc.
Circuito de
Potencia
gobierno
Carga
información
Circuito de
Control o mando
- Resistencia
- Baterías
- Lámparas
- Motores
- Etc.
Tipos de conversión de la energía
CA / CC
CC / CC
Rectificador
Regulador
de continua
CA / CA
CC / CA
•Cicloconvertidor
•Reg. alterna
Inversor
Rangos de potencia según el tipo
de aplicación
Baja: <100W
• Alarmas
• Balastras Electrónicos
(Fluorescentes)
• Fuentes de alimentación
• Herramientas Eléctricas.
Media: 100W – 1kW
• Cargadores de Baterías
• Balastras Electrícos (HID)
• Secadores
• Reguladores de Velocidad
Alta: 1kW – 100kW
Muy Alta: 100kW – 100MW
• Hornos de Inducción
• Reguladores de Tomas (Alta tensión)
• Accionadores para Locomotoras
• Inversores para generadores
• Secadores
• Inversores no autónomos para
• Soldadura automática
generadores
APLICACIONES DE DIODOS
Detectores reflexión de objeto
Detectores de barrera
APLICACIONES DE DIODOS
Sensores de luz: Fotómetros
Sensor de lluvia en vehículos
Detectores de humo
Turbidímetros
Sensor de Color
LED
Fotodetector
Objetivo
LED azul
LED
LED verde
LED rojo
Fotodiodo
COMENTARIOS SOBRE CIRCUITOS
Los diodos (y el resto de dispositivos electrónicos) son dispositivos
no lineales.
¡Cuidado, no se puede aplicar el principio de superposición!
VE
VS
+
EJEMPLO TÍPICO:
RECTIFICADOR
t
VS
VE
-
VMAX
R
VE
t
 VMAX
t
ID
VD
RECTA DE CARGA Y PUNTO DE FUNCIONAMIENTO
CIRCUITO
LINEAL
ID
RTH
+
VD
VTH
-
I
Característica
del diodo
VTH
RTH
ID
Característica del
circuito lineal
(RECTA DE CARGA)
PUNTO DE
FUNCIONAMIENTO
VD
VTH
V
•El germanio, por
que es mejor
conductor