2. El diodo de unión PN

Contenido

2.1 El diodo ideal: principio de funcionamiento, curva característica.

2.2 El diodo como elemento de circuitos

2.3 El diodo como dispositivo rectificador

2.4 Especificaciones técnicas de los diodos

2.5 El diodo zener

2.6 Diodo emisor de luz

2.1 El diodo

• El diodo es el más simple de los dispositivos semiconductores.

• Operación: De forma ideal un diodo conducirá corriente en la dirección de la flecha del símbolo y actuará como un circuito abierto ante cualquier intento de establecer corriente en la dirección opuesta.

Diodo ideal Curva característica

Ejemplos

• Calcular la corriente y voltaje en los diodos de los circuitos (a) y (b):

2.2.1 El Diodo real: principio de funcionamiento

• Sin polarización (VD= 0 V, corriente = 0 A)

Polarización (bias): aplicación de un voltaje externo a través de los terminales del dispositivo.

• Al aplicar un voltaje positivo al cátodo y un voltaje negativo al ánodo (polarización inversa), aumenta la región de agotamiento.

• La corriente de portadores mayoritarios disminuye casi a 0.

• Existe una corriente denominada corriente de saturación inversa Is (saturación= alcanza rápidamente su valor máximo y se mantiene constante).

• Polarización inversa (VD < 0 V):

• Al aplicar un voltaje positivo al ánodo y un voltaje negativo al cátodo (polarización directa) disminuye la región de agotamiento.

• El flujo de portadores minoritarios no cambia en magnitud.

• Polarización directa (VD > 0 V):

2.2.2 Característica tensión-corriente

)1( TD nVV

sD eII

Ecuación del diodo (Ecuación de Shockley)

Donde: k = Constante de Boltzmann = 1.38 x 10-23 J/K T = Temperatura absoluta en Kelvin. q = Carga del electrón = 1.6 x 10-19 C

Donde: Is = Corriente de saturación inversa. VD = Voltaje en el diodo. n = constante de valor entre 1 y 2 (depende del

material y de la estructura física del diodo), se considerará n = 1.

VT = Voltaje térmico y se determina según:

q

kTVT

)1( TD nVV

sD eIIVálido para la región

directa e inversa del

diodo

Efectos de la temperatura • En la región de polarización

directa, la característica del diodo de Si se desplaza a la izquierda a una tasa de 2mV / °C de incremento de temperatura.

• En la región inversa, la corriente de saturación inversa del Si (Is) se duplica por cada 10 °C de incremento de temperatura.

• El voltaje inverso de ruptura, de un diodo semiconductor se incrementara o disminuirá con la temperatura dependiendo del Potencial Zener.

Característica tensión corriente • Tensión umbral, de codo o de partida (Vγ ).

Cuando la tensión externa supera la tensión umbral de forma que para pequeños

incrementos de tensión se producen grandes variaciones de la intensidad de corriente.

• Corriente máxima (Imax ).-Es la intensidad de corriente máxima que puede

conducir el diodo sin fundirse.

• Corriente inversa de saturación (Is ).- Es la pequeña corriente que se

establece al polarizar inversamente el diodo por la formación de pares electrón-hueco debido a la temperatura.

• Corriente superficial de fugas. Es la pequeña corriente que circula por la superficie del diodo (ver polarización inversa), esta corriente es función de la tensión aplicada al diodo, con lo que al aumentar la tensión, aumenta la corriente superficial de fugas.

• Tensión de ruptura (Vr ). Es la tensión inversa máxima que el diodo puede soportar antes de darse el efecto avalancha.

Efecto avalancha (diodos poco dopados). En polarización inversa se generan pares electrón-hueco que provocan la corriente inversa de saturación; si la tensión inversa es elevada los electrones se aceleran incrementando su energía cinética de forma que al chocar con electrones de valencia pueden provocar su salto a la banda de conducción. Estos electrones liberados, a su vez, se aceleran por efecto de la tensión, chocando con más electrones de valencia y liberándolos a su vez. El resultado es una avalancha de electrones que provoca una corriente grande. Este fenómeno se produce para valores de la tensión superiores a 6 V.

Efecto Zener (diodos muy dopados). Cuanto más dopado está el material, menor es la anchura de la zona de carga. Puesto que el campo eléctrico E puede expresarse como cociente de la tensión V entre la distancia d; cuando el diodo esté muy dopado, y por tanto d sea pequeño, el campo eléctrico será grande, del orden de 3·105 V/cm. En estas condiciones, el propio campo puede ser capaz de arrancar electrones de valencia incrementándose la corriente. Este efecto se produce para tensiones de 4 V o menores.

Para tensiones inversas entre 4 y 6 V la ruptura de estos diodos especiales, como los Zener, se puede producir por ambos efectos.

2.2.3 Modelos lineales del diodo

DODDOD

DODD

VvVv

Vv0i

,

,

Modelo de caída constante de voltaje o 2da aproximación:

Modelo de caída constante de voltaje: circuito equivalente

2.2.3 Modelos lineales del diodo

Aproximación lineal por tramos o 3ra aproximación

DOD

D

DO

D

D

D

DODD

Vvr

Vv

r

1i

Vv0i

,

,

Aproximación lineal por tramos o de 3ra aproximación

2.2.4 Concepto de recta de carga de corriente continua

)( TD nVV

sD eII DDDDDD

D VR

1

R

V

R

VVI

Ecuación 1: Ecuación del Diodo Ecuación 2: Ley de Kirchoff

Ejercicio: 1. Calcular la corriente ID, la tensión y la potencia en la carga,

así como la potencia del diodo y la potencia total para el circuito de la figura. Hacerlo utilizando los tres tipos de aproximaciones que existen.

2.2.5 Determinación del punto de reposo del diodo Análisis Usando el modelo ideal

• Hacer una suposición razonada del estado de cada diodo.

• Redibujar el circuito sustituyendo los diodos en conducción por cortocircuitos y los diodos en corte por un circuito abierto.

• Mediante el análisis de circuitos determinar la corriente en cada diodo en conducción y el voltaje en cada diodo abierto.

• Comprobar las suposiciones hechas para cada diodo. Si hay contradicción – una corriente negativa en un diodo en conducción, un voltaje positivo en un diodo en corte – en cualquier lugar del circuito, entonces regresar al primer paso con una suposición mejorada.

• Cuando no hay contradicciones, las corrientes y valores en el circuito se aproximan bastante a las verdaderas.

Ejemplos • Calcular V e I en los circuitos (a) y (b)

Ejemplo • En el siguiente circuito, hallar el punto de

operación de los diodos. Considere el modelo

ideal para los diodos

.

Ejercicio propuesto • En el siguiente circuito, hallar el punto de

operación de los diodos. Considere el modelo

ideal para los diodos

.

Ejercicio propuesto • En el circuito mostrado a continuación

determine los valores de V1 que hacen que los diodos D1 y D2 no conduzcan. Utilice el modelo ideal para el diodo.

.

2.3 El diodo como dispositivo rectificador

Introducción

• El transformador

Rectificador de media onda

Rectificador de onda completa con 2 diodos

Rectificador de onda completa tipo puente

Rectificador de onda completa tipo puente

Filtro por condensador

Rectificador de media onda con con filtro por condensador

• Resumiendo

Circuito equivalente

• Usualmente sirve para hallar Vr , VDC, IDC

• Usando segunda aproximación

Circuito equivalente

• Usualmente sirve para hallar IDC , VDC, Vr

Resumiendo

Corriente pico del diodo en rectificador de media onda con filtro capacitivo a la salida

• Intensidades

1

2

2arg

1

arg

2

2

t

tII

tIQ

tIQ

DCpico

DCadesc

pico

ac

t1: difícil de determinar, usualmente t1≈1ms-2ms (f=60Hz)

Rectificador de onda completa con 2 diodos con filtro por

condensador

Rectificador de onda completa con diodo tipo puente con

condensador

Ejemplo

• Hallar VDC, IDC y el voltaje de rizado en la carga, V1=220Vrms

2.4 Especificaciones técnicas de los diodos rectificadores

• Tensión inversa de ruptura

• Corriente máxima con polarización directa

• Caída de tensión con polarización directa

• Corriente inversa máxima

Revisar hoja de datos del 1N4004 y 1N4007

2.5 El diodo zener

• 2.5.1 Símbolo y curva característica

2.5.2 Modelos lineales del diodo zener

• Modelo ideal (1ra aproximación)

• 2da aproximación

2.5.3 Especificaciones técnicas del diodo zener

2.5.4 Circuito regulador típico con diodo zener

• Regulador de tensión con carga

• Análisis de circuito con diodo zener

Reguladores lineales integrado

2.6 Dispositivos optoelectrónicos

• 2.6.1 Diodo LED

El Diodo Emisor de Luz “LED” Light-Emitting Diode: principio de funcionamiento

1. En cualquier unión p-n con polarización directa, existe dentro de la estructura y en forma primaria cerca de la unión, una recombinación de

huecos y electro-

nes. Esta recom-

binación requiere

que la energía que

posee un electrón

libre se transfiera

a otro estado.

LED: Curva de emisión de luz.

• Se tiene el siguiente gráfico de la intensidad luminosa relativa. Se sabe ILreferencia=750mcd@20mA

Para 5mA la ILrelativa es: 0.18

Por tanto la IL es

0.18*750mcd =135mcd

referencia

relativaIL

ILIL

Tiempo de vida de un LED

• LED nuevo IL = 750mcd@20mA

• LED en t años IL = 375mcd@20mA

Tiempo de vida t años ≈ 11 a 15 años

Tiempo en el cual, la IL cae a la mitad (L50).

Circuitos para encender/apagar LEDs

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3.5.2 Circuitos para encender/apagar LEDs