Tema 1.Diodos Semiconductores

�1-Introducción

�2-Comportamiento en régimen estático.Recta de carga.�3- Tipos especiales de diodos

�Zener�Schottky�Emisor de luz (LED)

�4- Circuitos con diodos� Recortadores ó limitadores� Rectificadores� Filtrado� Aplicaciones digitales

Introducción � La unión P-N conduce másfácilmente en el sentido directo queen sentido inverso (rectificación)

� Nombre del dispositivo: DIODO

� Dispositivo NO LINEAL

)1( ç −= T

DV

V

SD eII

Material tipop

Material tipon

Anodo(A)

Cátodo(K)

-Is VγγγγVD

ID

Curva característica del diodo

Vγ : Tensión umbral del diodoSilicio: 0.6 a 0.7VGermanio: 0.1 a 0.2V

Recta de carga IDVS

RS

VD

•Es un método de análisis gráfico, empleadocuando existen dispositivos no lineales,como es el caso del diodo.•La recta de carga y la ecuación no lineal deldiodo deben satisfacerse mutuamente.(Gráficamente será el punto de intersecciónde la recta con la curva característica deldiodo)•La recta de carga no depende de lacaracterística del dispositivo. Sólo dependede la tensión de alimentación y del valor dela resistencia serie.

carga) de (Recta

0

S

D

S

SD

DSDS

R

V

R

VI

VRIV

−=

=−−

•En el circuito mostrado, aplicando la2ª ley de Kirchoff, se tendrá:

-Is VDQ

VD

ID

Q(IDQ ,VDQ )IDQ

VS /RS

VS

Aproximaciones del Diodo: 1� DIODO IDEAL

� Comportamiento como interruptor:✦ Polarización directa: CERRADO (ON)

• VD=0 para toda ID>0

✦ Polarización Inversa: ABIERTO( OFF)• ID=0 para toda VD <0

ID ID

D. real D. idealVD

ID

� Diodo Ideal con tensión Umbral Vγ

Es un interruptor serie con una pila

de Vγ = 0.7V aprox. para el silicio.

ID ID

D. real D. Ideal+ Pila Vγ

VD

ID

VγA K A K

Vγγγγ

Aproximaciones del diodo: 2

� Diodo ideal con tensión umbral y resistenciadirecta

ID ID

D. real D. Ideal+ Pila Vγ + Resistencia serie Rd

VγA K A KRd

VD

ID

Vγγγγ

DDAK RIVV += γ

Ecuación durante la conducción:

(RD≅ entre 5 y 50 ohms, tipicamente)

1/RD

Aproximaciones del diodo: 3

Aproximaciones del Diodo: 4� Diodo ideal con tensión umbral, resistencia

directa Rd y resistencia inversa Ri.

ID

ID

D. real

VγA K A K

Rd

RdIVV DAK += γ

Ecuación en conducción directa:(ID>0)

D. Ideal+ Pila Vγ + Rd + R. Inversa Ri

VAK

ID

Vγγγγ

RiIV DAK =Ecuación en conducción inversa:(ID<0)

Ri

1/Rd

1/RiNormalmente, Rd ≈ 0 y Ri ≈ ∞, con lo que esaceptable el segundo modelo.

(Zona de funcionamiento seguro)

Tipos especiales de diodos� Diodo Zener

� Diseñados específicamentepara trabajar en la zona deruptura

� Utilizados como dispositivos dereferencia de tensión.

� Símbolos:

IzMIN

VD

ID

IzMAX

-VzA

A

A

K

K

K

� Curva Característica:� Semejante a la de los diodos

normales, pero la zona de rupturaestá especialmente diseñada

Zona

de ru

ptura

Tipos especiales de diodos

Modelo ideal del diodo Zener� Semejante al diodo normal, pero se añade la

rama de conducción inversa, simulándolamediante una pila de voltaje igual a la tensiónzener.

A K

Vz+-

VAK

IAK

-Vz

Modelo ideal del diodo Zener

Regulador de tensión con diodoZener

� La tensión de salida será igual a VZ, sólo si las variaciones de VE y/o RLproducen cambios en IZ que estén comprendidas entre IZMIN e IZMAX , quees la zona de funcionamiento del diodo.

� Esta restricción impone los valores máximos y mínimos de RL y VE paraconseguir una correcta regulación.

RS

RLVE VZ

VSALIDA

ILIZIS

L

Z

S

ZELSZ R

V

R

VVIII −−=−=

� El valor de la IZ será:

Diodo Schottky� Son diodos de alta velocidad de

conmutación

� Características:

� Unión Metal-Semiconductor

� Tensión umbral reducida (aprox.0.3 a 0.4 V).

� Tiempo de conmutación on/off yoff/on muy pequeños(picosegundos).

✦ Frecuencias de trabajo superioresa 300MHz.

� Aplicaciones: Circuitos digitales dealta velocidad.

A K

0.3 0.6

Silicio

SchottkyID

VD

Diodo Emisor de Luz (L.E.D.)� Al polarizar en directo la unión P-N, se inyectan portadores

mayoritarios, para restablecer el equilibrio, se recombinan losportadores, desprendiendo energía en forma de calor ó de luz.

� Este último caso (emisión de luz) se produce eligiendo materialessemiconductores adecuados:

� GaAs, GaAsP, SiC, ...

ID

VD

Vγγγγ ≈≈≈≈ 1.5V

A

K

Símbolo

Curvacaracterística

Características de los LED:� Vγ entre 1.5 y 1.8 voltios.

� La luminancia emitida esproporcional a la corriente endirecto

� (para una buena visibilidad serequieren típicamente de 15 a20 mA)

� La radiación es casi monocroma(de un sólo color). Existen diodosde:

✦ Infrarrojos (muchasaplicaciones)

✦ Color Amarillo

✦ Color Verde

✦ Color Rojo (el más típico)

✦ Color Azul (el más raro)

5 35

20

4

Lum

inan

cia (l

umen

)

Corriente directa (mA)

Circuitos con LEDs:

A

K

+Vcc=5V

A

K

Encendido con salida a nivel bajo Encendido con salida a nivel alto

NECESARIA

OL

I

VVVccR

γ−−=NECESARIA

OH

I

VVR

γ−=

R

R

Visualizadores de 7 segmentos

cb

ag

d

fe

Juego de caracteres

(Juego opcional)

Configuración de cátodo común Configuración de ánodo común

a b c d e f g

a b c d e f g

Circuitos con diodos. Recortadores a unnivel.

R

VIN VOUT

R

VIN VOUT

R

VINVOUT

V

RVINVOUT

V

0V

0V

Diodo serie, negativo Diodo serie, positivo

Diodo serie, con fuente de tensión

Diodo paralelo, confuente de tensión

Circuitos con diodos. Recortadores a dosniveles.

� Con diodos Zener.

Ve VsR

Vz1

Vz2

Ve

Vs

t

tVz1-

Vz2

Ve VsR

Vz1

Vz2

D1D2

D3D4

-

+

+

-

Ve

Vs

Vz1

Vz2

Vz 2

Vz1-

-

Curva de transferencia

entrada

salida

Circuitoequivalente

Circuitos con diodos. Recortadores a dosniveles.(1)

� Con diodos normales (Caso 1).

Ve VsR

1V R 2V R

Ve

Vs

1VR

1VR

2VR

V 2R

VR 2 > 1VR

Curva de transferencia

Ve

t

entrada

Vs

t

VR2

salidaVR1

Circuitos con diodos. Recortadores a dosniveles.(2)

� Con diodos normales (Caso 2).

Ve VsR

1V R2V R

Ve

Vs

-VR1

-VR1

-VR2

-VR2

1VR 2VR>

Curva de transferencia

Ve

t

entrada

Vstsalida

-VR2-VR1

Rectificador de media onda

RLn2n1

V1V2 VS

t

VS

V2

•Convierte una señal alterna en unaseñal unipolar

si V2 > 0 ⇒⇒⇒⇒ VS=V2si V2<= 0 ⇒⇒⇒⇒ VS= 0

•El valor medio de la salida es:

)()(

)( 318.0 PICOSPICOS

MEDIOS VV

V ⋅==π

•El transformador ajusta el nivel de tensiónalterna V2 mediante la relación de espiras(relación del transformador)

V2= V1 . (n2/n1)

Rectificador de onda completa en puente.

+

•La tensión en la salida ‘+’ es siemprepositiva, ya que la corriente en lacarga circula siempre en el mismosentido.

•Los diodos 1-4 y 2-3 conducensiempre alternativamente por pares,luego hay el doble de caida de tensiónque en el rectificador de media onda.

•El valor medio de la salida es el dobledel rectificador en media onda

)()(

)( 636.02

PICOSPICOS

MEDIOS VV

V ⋅=⋅

=π

VsVe

Ve

Vs

t

t

D1

D4

D2

D3

D1-D4 OND2-D3 ON

D1-D4 ON

Filtrado de la señal rectificada.

VMAX

VMED

VMin

Descarga exponencial delcondensador Conducen los diodos

+

Filtro típico:

Condensador en paralelocon la carga

Para reducir el rizado, seaumenta el valor de C, pero eldiodo soporta mayores picos

de corriente y puededestruirse.

Fuentes de alimentación

R LVz

C

R1 R2

PUENTE

RECTIFICADOR

FILTRO REGULADOR

•Esquema básico de una fuente de alimentación no regulada simplificada.

Puertas lógicas elementales con diodos.

A

B Vs

R

Vcc

A B S

0 0 0

0 0

00

1

1

1 1 1

A B S

0 0 0

0

0

A

B Vs

R

1 1

1

11

1

1

Puerta AND (Y)

Puerta OR (O)