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 VKDTq 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