UD6.- TEORIA DE SEMICONDUCTORES EL DIODO

Transcripción

1 UD6. TEORIA DE SEMICONDUCTORES EL DIODO Centro CFP/ES CONSTITUCIÓN INTERNA DE LA MATERIA Moléculas y Átomos 1

2 CONSTITUCIÓN INTERNA DE LA MATERIA Clasificación de los cuerpos CONSTITUCIÓN INTERNA DE LA MATERIA El átomo 2

3 CONSTITUCIÓN INTERNA DE LA MATERIA Estructura atómica CONSTITUCIÓN INTERNA DE LA MATERIA Tipos de átomos 3

4 CONSTITUCIÓN INTERNA DE LA MATERIA Tabla periódica El ÁTOMO Características eléctricas 4

5 ESTRUCTURAS CRISTALINAS Bandas de energía ESTRUCTURAS CRISTALINAS Bandas de energía 5

6 ESTRUCTURAS CRISTALINAS Conductores, Semiconductores y Aislantes TIPOS DE ENLACES 6

7 TIPOS DE ENLACES SEMICONDUCTORES 7

8 SEMICONDUCTORES Intrínseco 0ºK : silicio Grupo IV de la tabla periódica SEMICONDUCTORES Intrínseco 0ºK 300ºK Electrón Hueco 8

9 SEMICONDUCTORES Intrínseco SEMICONDUCTORES Intrínseco 9

10 SEMICONDUCTORES Extrínseco. Tipo N Sb Sb: antimonio 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 SEMICONDUCTORES Extrínseco. Tipo N Sb Sb Sb Sb Sb Sb Sb Sb Sb Sb Sb Sb Sb Sb Sb Sb Impurezas grupo V 300ºK Electrones libres Átomos de impurezas ionizados Los portadores mayoritarios de carga en un semiconductor tipo N son electrones libres 10

11 SEMICONDUCTORES Extrínseco. Tipo P Al Al: aluminio 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 SEMICONDUCTORES Extrínseco. Tipo P Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Impurezas grupo III 300ºK Huecos libres Átomos de impurezas ionizados Los portadores mayoritarios de carga en un semiconductor tipo P son Huecos. Actúan como portadores de carga positiva. 11

12 SEMICONDUCTORES Unión PN en equilibrio Semiconductor tipo P Semiconductor tipo N SEMICONDUCTORES Unión PN en equilibrio Semiconductor tipo P Zona de transición 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. 12

13 SEMICONDUCTORES Unión PN polarizada inversamente P N La zona de transición se hace más grande. Con polarización inversa no hay circulación de corriente. SEMICONDUCTORES Unión PN polarizada directamente P N La zona de transición se hace más pequeña. La corriente comienza a circular a partir de un cierto umbral de tensión directa. 13

14 SEMICONDUCTORES Unión PN polarizada directamente P Concentración de huecos Concentración de electrones N La recombinación electrónhueco hace que la concentración de electrones en la zona P disminuya al alejarse de la unión. SEMICONDUCTORES El Diodo Conclusiones: Aplicando tensión inversa no hay conducción de corriente Al aplicar tensión directa en la unión es posible la circulación de corriente eléctrica P N DIODO SEMICONDUCTOR 14

15 EL DIODO EL DIODO mbología 15

16 EL DIODO Circuito equivalente EL DIODO Polarización 16

17 EL DIODO Curva característica EL DIODO Curva característica I Ideal I Solo tensión de codo Ge = 0.3 = 0.6 V V I Tensión de codo y Resistencia directa I Curva real (simuladores, análisis gráfico) V V 17

18 EL DIODO Limitaciones Tensión inversa máxima Ruptura de la Unión por avalancha I Corriente máxima Límite térmico, sección del conductor V 600 V/6000 A 200 V /60 A 1000 V /1 A EL DIODO Tiempo de recuperación inversa i S U E U E R Alta Baja frecuencia i S t rr = tiempo de recuperación inversa A alta frecuencia se aprecia un intervalo en el cual el diodo conduce corriente inversa. 18

19 EL DIODO Tiempo de recuperación inversa P N Para que el diodo deje de conducir es necesario extraer los portadores minoritarios de las proximidades de la unión. El diodo conduce en sentido inverso durante un cierto tiempo: recuperación inversa. EL DIODO Características 19

20 EL DIODO Características EL DIODO Características 20

21 EL DIODO Características EL DIODO Características 21

22 EL DIODO Características EL DIODO Características 22

23 EL DIODO Tipos EL DIODO Agrupaciones 23

24 EL DIODO mbología EL DIODO Encapsulados 24

25 EL DIODO Encapsulados EL DIODO Identificación 25

26 EL DIODO Identificación EL DIODO Identificación 26

27 EL DIODO Identificación EL DIODO Identificación 27

28 DIODOS ESPECIALES Diodo Zener DIODOS ZENER Curva característica 28

29 DIODOS ZENER Características DIODOS ESPECIALES Diodo LED 29

30 DIODOS ESPECIALES Diodo LED DIODOS ESPECIALES Diodo LED 30

31 DIODO LED Frecuencias DIODO LED Frecuencias b a R i Zona P i (en b) Zona N V 1 0 i p i n i (en a) Longitud Cuando el interruptor pasa de a a b, el diodo LED queda polarizado directamente. En cada sección del cristal hay distinto porcentaje de corriente de huecos y de electrones, lo que significa que hay recombinaciones en el proceso de conducción. Algunas de estas recombinaciones generan luz. 31

32 DIODO LED Frecuencias DIODO LED Frecuencias 32

33 DIODO LED Frecuencias DIODO LED Frecuencias 33

34 DIODOS ESPECIALES Diodo Varicap DIODOS ESPECIALES Fotodiodo 34

35 DIODOS ESPECIALES Fotodiodo DIODOS ESPECIALES Fotodiodo 35

36 DIODOS ESPECIALES Células Solares DIODOS ESPECIALES Células Solares PRECEDENTES Bell Telephone construye la primera célula Loferski publica unas tablas de conversión fotovoltaica para mejorar el rendimiento Se obtienen unos rendimientos aproximados del 20% con células monocristalinas (GaAs). A nivel industrial rendimiento menor Células de 2 capas (CdS) la ventaja poco material activo, fácil de fabricar pero bajo rendimiento Material policristalino barata fabricación pero menor rendimiento licio amorfo: Para baja potencia como relojes, calculadoras. En España se desarrollaron células bifaciales: aprovechan radiación por las dos caras y mejor rendimiento 36

37 DIODOS ESPECIALES Células Solares EFECTO FOTOVOLTAICO Consiste en transformar la energía que aportan los fotones de luz incidentes en un material semiconductor. El efecto de fabricación es similar al del diodo, se trata de dopar convenientemente los cristales para proporcionar una región N y otra P Al unir los cristales se crea una barrera en la cual se recombinan algunos electrones con algunos huecos pero no hay circulación de electrones. penetra la luz y los fotones comunican la suficiente energía a los electrones, algunos de éstos atravesarán la barrera de potencial y producirán corriente eléctrica en el circuito exterior. DIODOS ESPECIALES Células Solares EFECTO FOTOVOLTAICO El semiconductor no almacena energía como una batería sino que la genera transformando la energía radiante cuando ésta incide sobre él. 37

38 DIODOS ESPECIALES Células Solares EFECTO FOTOVOLTAICO En una célula de silicio monocristalina la eficiencia de la conversión es relevante para magnitudes de onda entre 350 y 1100 nm, aunque para otros materiales tendremos una respuesta espectral diferente. Como la luz que nos llega es una mezcla de fotones de frecuencias diferentes, la eficiencia de conversión será la conjunción de la respuesta para cada una de ellas. La Fisica Cuántica da como eficiencia teórica a la célula de silicio un valor de 23% aunque si nos referimos a las comerciales estamos en un 16%. El tamaño de las células está entre unos pocos centímetros cuadrados hasta 100 cm2, variando su forma desde circular a cuadrada. Las células deben conectarse en serie para que los electrones expulsados de una sean recogidos por la otra y nos ayude a conseguir unas ddp entre 6 y 24V. DIODOS ESPECIALES Células Solares TIPOS DE CÉLULAS licio puro monocristalino: Consta de obleas de licio dopadas con átomos de boro y fósforo para conseguir las regiones NP. Posteriormente se da un tratamiento antireflectante para asegurar que el rayo no escape. 38

39 DIODOS ESPECIALES Células Solares TIPOS DE CÉLULAS licio puro monocristalino: Posteriormente colocaremos los contactos adecuados para que los electrones entren y salgan de la célula. El rendimiento de la célula fabricada es la mitad que el teórico debido a las siguientes pérdidas: Pérdidas por reflexión, que no se pueden evitar Incidencia de los fotones en la rejilla metálica Pérdida por efecto Joule (por calor). Con todo ello el rendimiento de una célula es inferior al 15%. DIODOS ESPECIALES Panel Solar Una sola célula es capaz de proporcionar medio voltio y genera una potencia entre uno a dos vatios. Así pues, si queremos obtener 12V necesitaremos conectar en serie 30 o 40 células. Éstas se unen en forma de sandwich con material orgánizo (etilenvinilo) y se sellan al vacio para evitar que entren agentes externos. 39

40 DIODOS ESPECIALES Caraterísticas eléctricas del Panel Solar Corriente de cortocircuito (Isc): Máxima intensidad que podemos obtener en bornes de un panel solar con una resistencia nula, por lo que la ddp será también nula. Voltaje en circuito abierto (Voc): Voltaje máximo que se obtiene sin dejar que pase corriente en bornes de un panel (circuito abierto). Corriente a un determinado voltaje: Corriente eléctrica producida a un voltaje V a través de un circuito externo y que tiene una resistencia R Potencia máxima (Pm): Potencia máxima cuando la R externa haga que tengamos Imax y Vmax. Eficiencia total del panel: Cociente entre la potencia eléctrica producida y la potencia de la radiación que incide en el panel. Factor de forma (FF): Forma de la curva que define las variables i y v. DIODOS ESPECIALES Caraterísticas eléctricas del Panel Solar Corriente de cortocircuito (Isc): Voltaje a circuito abierto Corriente i con voltaje v a R. 40

41 DIODOS ESPECIALES Caraterísticas eléctricas del Panel Solar hacemos varias la resistencia externa entre 0 e infinito obtenemos la siguiente gráfica: movemos A hacia la derecha la i disminuye. quiero cargar una bateria de 12V Tendré que poner un panel que de 13V, siempre algo mayor de lo que voy a alimentar. DIODOS ESPECIALES Caraterísticas eléctricas del Panel Solar Diferentes curvas para varios tipos de paneles solares, a 25ºC y a 1000 W/m2. 41

42 DIODOS ESPECIALES Caraterísticas eléctricas del Panel Solar Efecto que sobre la curva iv tiene la variación de la intensidad radiante DIODOS ESPECIALES Caraterísticas eléctricas del Panel Solar Variación de la potencia en función de la intensidad de la radiación incidente. 42

43 DIODOS ESPECIALES Caraterísticas eléctricas del Panel Solar Los paneles de 6 voltios tienen 18 células y los de 12 voltios tienen 36 células, siendo estos los más utilizados. Panel de 33W de potencia con sus medidas. DIODOS ESPECIALES Unión de paneles solares Conexión de 4 paneles de 12 voltios en paralelo. Tensión de salida 12V. 43

44 DIODOS ESPECIALES Unión de paneles solares Conexión de 2 grupos en paralelo, cada uno de 2 paneles de 12V. Tensión de salida 24V. DIODOS ESPECIALES Unión de paneles solares Conexión de 2 grupos en paralelo, cada uno de 4 paneles de 12V. Tensión de salida 48V. 44

45 DIODOS ESPECIALES Diodo Schottky DIODOS ESPECIALES Aplicaciones 45

46 DIODOS ESPECIALES Aplicaciones EL DIODO Rectificación Los diodos (y el resto de dispositivos electrónicos) son dispositivos no lineales. Cuidado, no se puede aplicar el principio de superposición! EJEMPLO TÍPICO: RECTIFICADOR V E t V E V S V S t V E V MAX R I D t V MAX V D 46

47 Teoria de semiconductores. El Diodo 47