1] Indique una secuencia posible de operaciones que permita obtener un diodo como el esquematizado.

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1 GUIA DE LECTURA/PROBLEMAS. DIODOS. CONTENIDOS La unión p-n, zona de carga espacial, polarización directa e inversa, curvas características, capacidad asociada a la unión p-n y circuitos con diodos. Resolución: 1] Indique una secuencia posible de operaciones que permita obtener un diodo como el esquematizado. Para obtener una unión p-n, se parte de un monocristal intrínseco al que por dopaje, se transforma, por ejemplo, en n. Luego, sobre una zona de este material extrínseco, se "sobredopa" con impurezas aceptoras (trivalente), de tal forma de invertir el signo de los portadores de esa región. Se depositan capas conductoras, que permitan la vinculación eléctrica de ambas zonas con el exterior y se provoca la oxidación del resto de la superficie del cristal, para crear una aislación. 2] En el símbolo del diodo: p n + _ 1.1. Qué indica la flecha? La flecha en un diodo indica el sentido en el que debe pasar la corriente eléctrica para que el mismo funcione Qué lado del mismo corresponde al SC n y cuál al p? El extremo que se indica como positivo (ánodo (A) - potencial alto) corresponde al tipo p y el extremo que corresponde al negativo (cátodo (K) potencial bajo) corresponde al tipo n. 3] Representar el perfil de las bandas electrónicas de energía a lo largo de un diodo: Teniendo en cuenta que el Ánodo (A) del diodo representa a la banda positiva y el Cátodo a la banda negativa podemos representarlo de la siguiente forma en los diferentes casos: Página 1 de 12

2 3.1. Sin polarización externa Bajo condiciones sin polarización (sin un voltaje aplicado), cualquier portador minoritario (hueco) en el material tipo n que se encuentre dentro de la región de agotamiento fluirá directamente hacia el material tipo p. Mientras más cercano se encuentre el portador minoritario a la unión, mayor será la atracción hacia la capa de iones negativos y menor la oposición de los iones positivos de la región de agotamiento del material tipo n. Los portadores mayoritarios (electrones) del material tipo n deben superar tanto a las fuerzas de atracción de la capa de iones positivos de material tipo n como al escudo de iones negativos del material tipo p, para poder migrar al área del material tipo p que se encuentra más allá de la región de agotamiento. Sin embargo dado que el número de mayoritarios es tan grande en el material tipo n, existirá invariablemente un número pequeño de portadores mayoritarios con suficiente energía cinética para pasar a través de la región de agotamiento hacia el material tipo p. Nuevamente el mismo razonamiento se aplica a los portadores mayoritarios (huecos) del material tipo p. En ausencia de un voltaje de polarización aplicado, el flujo de carga en cualquier dirección para la unión semiconductora es cero Polarización Directa El bloque PN descrito en el apartado (Figura 6) en principio no permite el establecimiento de una corriente eléctrica entre sus terminales puesto que la zona de deplexión no es conductora. Página 2 de 12

3 Figura 6: Diodo PN durante la aplicación de una tensión inferior a la de barrera Sin embargo, si se aplica una tensión positiva en el ánodo, se generará un campo eléctrico que "empujará" los huecos hacia la unión, provocando un estrechamiento de la zona de deplexión (Figura 7). Sin embargo, mientras ésta exista no será posible la conducción. Figura 7: Diodo PN bajo la acción de una tensión mayor que la de barrera Si la tensión aplicada supera a la de barrera, desaparece la zona de deplexión y el dispositivo conduce. De forma simplificada e ideal, lo que sucede es lo siguiente (Figura 7): 1. Electrones y huecos se dirigen a la unión. 2. En la unión se recombinan. En resumen, polarizar un diodo PNen directa es aplicar tensión positiva a la zona P y negativa a la zona N. Un diodo PN conduce en directa porque se inunda de cargas móviles la zona de deplexión. La tensión aplicada se emplea en: Vencer la barrera de potencial. Mover los portadores de carga. Página 3 de 12

4 3.3. Polarización Inversa Al contrario que en el apartado anterior, al aplicar una tensión positiva a la zona N y negativa a la zona P, se retiran portadores mayoritarios próximos a la unión. Estos portadores son atraídos hacia los contactos aumentando la anchura de la zona de deplexión. Esto hace que la corriente debido a los portadores mayoritarios sea nula (Figura 8). Ahora bien, en ambas zonas hay portadores minoritarios. Un diodo polarizado en inversa lo está en directa para los minoritarios, que son atraídos hacia la unión. El movimiento de estos portadores minoritarios crea una corriente, aunque muy inferior que la obtenida en polarización directa para los mismos niveles de tensión. Figura 8: Diodo PN polarizado en inversa Al aumentar la tensión inversa, llega un momento en que se produce la ruptura de la zona de deplexión, al igual que sucede en un material aislante: el campo eléctrico puede ser tan elevado que arranque electrones que forman los enlaces covalentes entre los átomos de silicio, originando un proceso de rotura por avalancha. (Nota: Sin embargo, ello no conlleva necesariamente la destrucción del diodo, mientras la potencia consumida por el diodo se mantenga en niveles admisibles). En resumen: Es cuando la corriente en el diodo desea circular en sentido opuesto a la flecha (la flecha del diodo), o se del cátodo al ánodo. En este caso la corriente no atraviesa el diodo, y se comporta prácticamente como un circuito abierto. 4] En una unión p-n.: 4.1. Hay cargas libres en la región de carga espacial? Por qué? Cómo es la resistencia eléctrica de esta zona en relación al resto del diodo? La región de carga espacial no es conductora, puesto que no posee portadores de carga libres. En ella actúa un campo eléctrico, o bien entre los extremos actúa una barrera de potencial. Esta zona ofrece una resistencia particular que permite estabilizar el diodo. Página 4 de 12

5 Resistencia interna: Cuando el diodo trabaja en la zona de polarización directa, con pequeñas variaciones de tensión la corriente aumenta rápidamente, lo único que se opone al paso de la corriente es la resistencia de las zonas P y N. A la suma de estas resistencias se le llama resistencia interna del diodo. El valor de esta resistencia depende del nivel de dopado y del tamaño de las zonas P y N. Normalmente la resistencia de los diodos rectificadores es menor de 1 ohmio Hay cargas libres en las regiones neutras? Cómo es la resistencia eléctrica? En las regiones neutras no hay cargas libres. 5] Se dan a continuación tres diferentes modelos descriptivos de lo que sucede en una unión o juntura p-n en polarización directa. Redacte los equivalentes para polarización inversa. Con Polarización Directa 1. Tanto los electrones del lado n como los huecos del lado p, adquieren mayor energía potencial, por lo que la altura de la barrera se reduce [en q x _V] y al mismo tiempo, disminuye la anchura de la región espacial... [Albella, Martinez Duart. Fundamentos de electrónica...] 2. El potencial positivo de la batería absorbe los electrones de los átomos adyacentes a la unión. Entonces aparecen huecos y disminuyen los iones fijos negativos de la juntura [de una guía de TP de Escuela Técnica]. 3. El campo exterior actúa contra el interior, lo debilita o lo destruye... los electrones y huecos atraviesan libremente la juntura y la corriente fluye [ Boris- Piatnova. Los secretos de los semiconductores] Con Polarización Inversa: 1. Al aplicar una tensión positiva a la zona N y negativa a la zona P, se retiran portadores mayoritarios próximos a la unión. Estos portadores son atraídos hacia los contactos aumentando la anchura de la zona de deplexión. Esto hace que la corriente debido a los portadores mayoritarios sea nula. 2. El potencial positivo de la batería absorbe atrae los electrones libres de los átomos alejándolos de la unión. El potencial negativo de la batería hace lo mismo pero con los huecos. Entonces la zona de empobrecimiento se ensancha. 3. Al aumentar la tensión inversa, llega un momento en que se produce la ruptura de la zona de deplexión, al igual que sucede en un material aislante: el campo eléctrico puede ser tan elevado que arranque electrones que forman los enlaces covalentes entre los átomos de silicio, originando un proceso de rotura por avalancha. (Nota: Sin embargo, ello no conlleva necesariamente la destrucción del diodo, mientras la potencia consumida por el diodo se mantenga en niveles admisibles). 6] Dibuje las distintas curvas características de un diodo correspondientes a los distintos niveles de aproximación a su comportamiento real. A partir de ellas, determine el valor de la resistencia, según la ley de Ohm, para distintos valores de la tensión aplicada y explique cómo haría para predecir el valor de la intensidad de corriente por una rama que contiene un diodo. Página 5 de 12

6 Existen tres aproximaciones muy usadas para los diodos de silicio, y cada una de ellas es útil en ciertas condiciones. 1ª Aproximación (el diodo ideal): Es la aproximación más simple. Se utiliza para obtener respuestas rápidas y es muy útil para la detección de averías. Su curva característica esta representada en la figura número 3. Esta aproximación consiste en suponer que en la zona directa el diodo se comporta como un conductor perfecto, resistencia nula y en la zona inversa como un aislante perfecto, resistencia infinita. Cuando la tensión es muy elevada y la corriente muy pequeña el diodo real se comporta como un diodo ideal. Este diodo ideal no existe en la realidad, no se puede fabricar por eso es ideal. Es decir, el diodo actúa como un interruptor abriéndose (Polarización Directa - Primer Gráfico) o cerrándose (Polarización Inversa Segundo Gráfico) dependiendo si esta en inversa o en directa. Para ver los diferentes errores que cometeremos con las distintas aproximaciones vamos a ir analizando cada aproximación. 2ª Aproximación: En esta aproximación se tiene en cuenta la tensión de codo. Su curva característica viene dada por la figura número 2. Cuando menor es la tensión aplicada mayor es el error que se introduce con el modelo ideal, por lo cual este puede ser útil. La exponencial se aproxima a una vertical y a una horizontal que pasan por 0,7 V (este valor es el valor de la Página 6 de 12

7 tensión umbral para el silicio, porque suponemos que el diodo es de silicio, si fuera de germanio se tomaría el valor de 0,2 V). El tramo que hay desde 0 V y 0,7 V es en realidad polarización directa, pero como a efectos prácticos no conduce, se toma como inversa. Con esta segunda aproximación el error es menor que en la aproximación anterior. En el caso de la Polarización directa, la vertical es equivalente a una pila de 0,7 V, mientras que en la Polarización Inversa, es un interruptor abierto. Polarización Directa Polarización Inversa 3ª Aproximación: La curva del diodo se aproxima a una recta que pasa por 0,7 V y tiene una pendiente cuyo valor es la inversa de la resistencia interna. Página 7 de 12

8 7] Explique cómo se originan las propiedades capacitivas de la unión p-n y qué aplicaciones se derivan de ellas. 8] Cuáles son los límites de tensión que pueden aplicarse a un diodo en una y otra polarización? Los límites de tensión que pueden aplicarse en un diodo, según su polarización son: En el caso de la polarización inversa, la Tensión inversa de ruptura. La misma corresponde a la tensión en sentido inverso que puede soportar un diodo sin entrar en conducción; esta tensión para un diodo rectificador es destructiva, por ello cuando se diseña un circuito siempre se utiliza un factor de seguridad que no está determinado, sino que depende del diseñador. Mientras que en el caso de la polarización directa, está determinado por la Corriente máxima de polarización directa. La misma corresponde al valor medio de corriente para el cual el diodo se quema debido a una excesiva disipación de potencia. Este valor nunca se debe alcanzar, por ello, al igual que en el caso de la tensión inversa de ruptura se utiliza en diseño un factor de seguridad. Este valor está expresado en la hoja de características del diodo. 9] En los siguientes circuitos, complete con la lectura de los instrumentos. Luego, verifique sus predicciones con el simulador. Circuito 1 Circuito 2 Circuito 3 Circuito 4 Página 8 de 12

9 Resolución: Aplicando la Ley de Mallas de Kirchhoff podemos determinar la lectura de los instrumentos: Circuito 1: Primer Malla I1 = 12V/1KΩ = 12mA Segunda Malla 12V 0,7V I2.1KΩ = 0 11,3V I2.1KΩ = 0 I2 = 11,3V/1KΩ = 11,3mA It = I1 + I2 = 12mA + 11,3mA = 23,3mA I1 = 12mA ; I2 = 11,3mA ; Vd = 0,7V Circuito 2: 12V 0,7V I.(1KΩ + 1KΩ) = 0 11,3V I.2KΩ = 0 I = 11,3V/2KΩ = 5,65mA Vd = 0,7V ; I = 5,65mA Circuito 3: Primer Malla I1 = 12V/1KΩ = 12mA Segunda Malla El diodo no conduce (Polarización Inversa). No circula corriente Circuito 4: Primer Malla I1 = 12V/1KΩ = 12mA Segunda Malla 12V 0,7V I2.1KΩ = 0 11,3V I2.1KΩ = 0 I2 = 11,3mA Tercer Malla I3= I1 I2 = 12mA 11,3mA = 0,7mA I1 = 12mA; I1 = 11,3mA; I3 = 0,7mA 10] En los siguientes circuitos, indique la forma de la onda de salida, entre A y B. Luego, verifique su respuesta utilizando el simulador. Página 9 de 12

10 11] Escribir en unos pocos (3 ó 4) renglones una explicación de los siguientes términos de la teoría de diodos: Tensión umbral: corresponde al valor de la tensión, en directa, a partir de la cual el diodo conduce. Tensión de ruptura : 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. Página 10 de 12

11 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. Zona de agotamiento: La zona de agotamiento es el limite entre el bloque P y el bloque N. Cuando se aplica una tensión positiva en el ánodo, se generará un campo eléctrico que "empujará" los huecos hacia la unión, provocando un estrechamiento de la zona de agotamiento. Sin embargo, mientras ésta exista no será posible la conducción. Polarización: Es una tensión o corriente aplicada a un componente (diodo). Puede ser Directa o Indirecta. Barrera de potencial: Es otra forma de nombra a la tensión Umbral. Curva característica: es una curva, representada en dos ejes (eje X Tensión y Eje Y Corriente), mediante la cual se puede observar el comportamiento de un diodo. Representación Gráfica: Característica I/V de un diodo semiconductor Vu Vs Vr OA AB OC Tensión umbral Tensión de saturación Tensión de ruptura Zona de baja polarización directa, pequeña corriente Zona de conducción Corriente inversa de saturación A partir de C, zona de avalancha Página 11 de 12

12 Capacidad: Son diodos que basan su funcionamiento en el principio que hace que la anchura de la barrera de potencial en una unión PN varia en función de la tensión inversa aplicada entre sus extremos. Al aumentar dicha tensión, aumenta la anchura de esa barrera, disminuyendo así la capacidad del diodo. De este modo se obtiene un condensador variable controlado por tensión. Recta de carga: La recta de carga es una herramienta que se emplea para hallar el valor de la corriente y la tensión del diodo. Lógica de diodos: la lógica de diodos nos permite implementar puertas lógicas. Utiliza el hecho de que los diodos conducen en un sentido pero no en el opuesto. Las compuertas, según su combinación, pueden ser del tipo AND, OR, NOT, etc. Led: es un tipo especial de diodo, que trabaja como un diodo común, pero que al ser atravesado por la corriente eléctrica, emite luz. Existen diodos LED de varios colores que dependen del material con el cual fueron construidos. Hay de color rojo, verde, amarillo, ámbar, infrarrojo. Eléctricamente el diodo LED se comporta igual que un diodo de silicio o germanio. Zener: Es un tipo especial de diodo, que diferencia del funcionamiento de los diodos comunes, como el diodo rectificador (en donde se aprovechan sus características de polarización directa y polarización inversa) siempre se utiliza en polarización inversa. En este caso la corriente circula en contra de la flecha que representa el mismo diodo. Si el diodo Zener se polariza en sentido directo se comporta como un diodo rectificador común. Página 12 de 12