DIODO. Definición: Dispositivo Semiconductor Dos terminales Permite la Circulación de corriente ( I ) en un solo sentido

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1 DIODO Definición: Dispositivo Semiconductor Dos terminales Permite la Circulación de corriente ( I ) en un solo sentido Símbolo y convenciones V - I: V F - - V R I F I R DIODO Ideal vs. Semiconductor DIODO IDEAL VD > 0 ID I D V D I D V D - I D DIODO Semiconductor I D = Is [ exp (V D /U T ) 1] V BR V D 1

2 Relación V I (Modelo Diodo Ideal) V D - I I = Is [ exp (V D /U T ) 1] Is Fabricación UT = k T / q I = Is [ exp (V D /U T ) 1] Dos diodos se diferencian entre si a través del valor de Is Is refleja el proceso de fabricación (material, concentraciones, dimensiones) Is depende de la temperatura. La V ϒ (Tensión umbral) se define como la tensión que produce el 1% del valor de corriente máxima que puede conducir el Diodo 1,5 I IS = I M 1 0,5 1% I M 0 0 0,25 0,5 V 0,75 ϒ V D 2

3 Limitaciones del modelo del Diodo Semiconductor - Resistencia serie ( Rs ) - Máxima Tensión Inversa (V BR ) - Capacidad de Juntura ( C j ) - Capacidad de difusión ( C D ) - Generación en Zona de Deplexión - Recombinación en Zona de Deplexión - Máxima Temperatura de Juntura (T jm ) - Máxima Corriente Directa ( I FM ) R R ID = Is [ exp (V D /U T ) 1] C D C J Rs V BR R Z Generación en Zona de Deplexion Con polarización inversa en ZD el producto p x n < n i 2 Corriente inversa mayor que Is Tendencia a la Generación E W P P n p0 x pr 0 x nr N p n0 W N x V R La corriente inversa medida es mayor que Is 3

4 MAXIMA TENSION INVERSA E W P P n p0 x pr 0 x nr N p n0 W N x V R Los portadores minoritarios que atraviesan la Zona de deplexion son acelerados por el campo. Al atravesar la ZD los portadores chocan con los átomos, en estos choques, si los portadores tienen la energía cinética suficiente, pueden liberar electrones de la ligaduras covalentes de los átomos. Estos electrones son nuevos portadores El proceso de generación de portadores por choque en la ZD se llama Avalancha y se produce cuando el campo (E MAX ) en la ZD alcanza el valor necesario para que la energía cinética de los portadores produzca la liberación de electrones de las ligaduras covalentes E P n p0 N p n0 x W P x pr 0 x nr W N Campo eléctrico en x = 0 V R E MAX = 2qN A N D ε N A N D 1 2 V R V j0 1 2 Valor del campo eléctrico para el que comienza el proceso de Avalancha Cuando E MAX E Critico E Critico = log N Avalancha en la ZD La tensión V R que hace que E MAX = E Critico Es V BR Máxima tensión de bloqueo inversa 4

5 Al aumentar la temperatura disminuye λ (camino libre medio) Esta disminución de λ (camino libre medio) implica una disminución de la energía cinética que adquieren los portadores antes de chocar Para compensar esta disminución de la energía cinética debo aumentar el campo que acelera los portadores Por tanto el aumento de temperatura hace necesario un campo mayor para provocar la avalancha T V BR Para AVALANCHA Ruptura Zener Recombinación en zona de deplexion I = Is [ exp (V D / U T ) 1] 2 Para Si I IE p (x) I IE n (x) I ID n (x) ID p (x) -x p 0 -W x n P W N V D 5

6 Inyección de Alto Nivel Concentración de portadores P (N A ) N (N D ) pp0 n p0 n p (x) n p (-x p ) p n (x n ) p n (x) n n0 p n0 W P -x p x n W N VD Cuando n p (-x p ) p p0 o p n (x n ) n n0 Se produce la ruptura de la neutralidad eléctrica El campo se opone al paso de los portadores La corriente disminuye I = Is [ exp (V D / U T ) 1] Concentración de portadores p n x n V D = p n0 eu T n p x p p n x n n p0 p n0 x W P L n x p x n L p W N V D p n x n = n n0 = N D 6

7 p n x n V D = p n0 eu T p n0 = n i 2 p N n x n = n 2 i e D N D V D U T Condición de inyección de alto nivel p n x n = n n0 = N D N D = n i 2 V D eu T N D TENSION DE POLARIZACION A LA QUE COMIENZA LA INYECCION DE ALTO NIVEL V D = 2U T ln N D n i Ejemplo: Juntura N P con N A = N D = T = 300 K V D = 2x0,026ln 1015 = 0,598 V I = I s [ exp (V D / U T ) 1] V D ln I = I S V T 7

8 Máxima Temperatura de Juntura (T jm ) Concentración de portadores p p0 = N A n p0 = n i 2 / N A p p0 P (N A ) N (N D ) n n0 n n0 = N D p n0 = n i 2 / N D n p0 p n0 W P -x P x n W N Concentración Portadores N A o D n i n A T e 2 3 EG / kt i Para T = T Intrinseca n i N D o NA T 50 K 500 K Temp. de Ionización Temp. Intrínseca de Impurezas n n0 p n0 o p p0 n p0 El semiconductor deja de ser EXTRINSECO Máxima Corriente Directa ( I FM ) VF P N IF 8

9 MODELO DEL DIODO I = I s [ exp (V D / U T ) 1] IR = M Is n ~ 3 a 6 R R C D M = 1 1 V R V BR n C J I V BR Rs R Z I R C j = m C j0 1 V R V j0 m = 2 Junt. abrupta C D = T T I U T m = 3 Junt. gradual I S PARAMETROS DEL MODELO R S V BR C j0 T T V j0 ECUACIONES DEL MODELO I = Is [ exp (V D / U T ) 1] M 1 V 1 ( V R BR ) n C j = C j0 1 V R V J0 C D = T T I D V T VD - I. Rs - VF - V F = V D I. Rs 9

10 CLASIFICACION DE LOS DIODOS Material Ge Si As Ga Potencia Señal ( P < 1 watt) Potencia ( P > 1 watt) CLASIFICACION DE LOS DIODOS - FUNCION EN LOS CIRCUITOS RECTIFICADORES REGULADORES (ZENER) CAPACITORES (VARICAP) EMISORES DE LUZ (LEDS) DETECTORES DE LUZ (FOTODETECTORES) Normales Rapidos Ultrarapidos Schottky 10

11 ESPECIFICACION DE DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES Manuales Identificación del Dispositivo (Nombre) Tipos de dispositivos Diodos, Transistores, Circuitos Integrados Hojas de Datos Máximos Absolutos Valores típicos de funcionamiento (puntos) Gráficos y curvas Valores que no deben superarse (V, I, P, T) Especificaciones Eléctricas Relaciones entre parámetros ZONA DE FUNCIONAMIENTO DE CADA TIPO DE DIODO I V BR V D Regulador Capacitor y Fotodetector Rectificador LED 11

12 Convenciones de tensiones y corrientes V V F - Subíndices I F I R - V R I Subíndices V / I Subíndice Subíndices F Forward (Directo) R Reverse (Inverso) 2 Subíndice R Repetitivo S No Repetitivo AV Promedio RMS Eficaz 3 Subíndice V RRM M Máximo I FSM 12

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17 Tiempo de recuperación t rr D I R E C T A n p0 P (N A ) N (N D ) n p (-x p ) p n (x n ) Wp n p (x) Q np -x p x n VD Concentración de portadores Q pn p n (x) Wn p n0 I N V E R S A n p0 P (N A ) N (N D ) Wp -x p x n Concentración de portadores Wn p n0 VD 17

18 MAXIMA FRECUENCIA DE RECTIFICACION A1 A2 Debe ser A1 >> A2 DIODOS SERIE R1- R4 representan la resistencia equivalente de los diodo D1 - D4 en inversa Si las resistencia no son iguales las tensiones en cada diodo no será igual Ejemplo: Diodos de 1000 V de tensión inversa Fuente 4000 V La caída en alguno de los diodos será mayor que 1000 V 18

19 SI RE << (R1-R4) MIN DIODOS Paralelo I D1 I D D2 D1 V D1 - V D2 - I D2 I D1 V D V D I D2 Por la conexión VD1 = VD2 Si las características no son idénticas uno de los diodos conducirá mas corriente 19

20 DIODOS Paralelo I D D2 D1 V F I D2 I D1 V F V F RE >> (Rd1-Rd2) MAX REGULADOR DE TENSION Fuente Ideal R S = 0 V Ripp = 0 V = 0 Fuente Real R S 0 V Ripp 0 V 0 20

21 REGULADOR DE TENSION R S > R S V Ripp > V Ripp REGULADOR V > V Parámetros PARAMETROS DE LA FUENTE DE TENSION Caracterizan el comportamiento de la Fuente de Tensión V i Regulador V L R L I L Máxima corriente de salida I LM Tensión nominal de salida V LN Tensión de Rippple de salida V LRipp Regulación de línea r l = 1 V LN ΔV L ΔV i I L =cte. Máxima Temperatura Ambiente de funcionamiento T AMB(Max) 21

22 PARAMETROS DE LA FUENTE DE TENSION V L V L dv L V LN V LN di L ΔV L I L I L Fuente Ideal Fuente Real I LM Regulación de carga r c = ΔV L V L V i =cte. I L I L =100% Resistencia de salida R 0 R 0 = dv L di L V i =cte. I L ~I LM Regulador con diodo ZENER R S R Z R R - V D V γ V D - Entre la Fuente no regulada y la carga conectamos la resistencia R y el diodo regulador (Zener) D1 Si la tensión sobre el diodo es mayor que su tensión de bloqueo inverso VBR podemos reemplazarlo por el modelo en conducción inversa 22

23 Regulador con diodo ZENER V L V LRipp Circuito del regulador si V>V BR Usando el circuito calculamos Regulación de carga Resistencia de salida Circuito para calcular V L 23

24 V L1 = V R Z R L R S R R Z R L V L2 = V BR R L R R S R Z R L R R S 24

25 V L = V L1 V L2 V L1 = V R Z R L R S R R Z R L V L2 = V BR R L R R S R Z R L R R S Si R R S y R Z Si R L R Z Si R L R R S V L1 = V R Z R V L2 = V BR V L = V BR V R Z R Circuito para calcular V LRipp V LRipp = V Ripp R Z R L R S R R Z R L V LRipp V Ripp R Z R 25

26 Regulador con diodo ZENER Diodos Reguladores Coeficiente termico Diferencia en las especificaciones con los rectificadores Hoja de datos de diodo Zener Diodo Rectificador vs Diodo Regulador (ZENER) La misma fabricación Distintas zonas de trabajo Rectificador V BR > V D Regulador V BR < V D Distintas especificaciones en Máximos Absolutos Características Eléctricas N Casos VBR VBR min VBR VBR MAX 26

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28 Diodo Varicap Factor de Calidad (Q) de un capacitor Diodo en directo Diodo en inverso Q = C Rp Rd = U T / I D 30 mω RR 100 MΩ Capacidad de Juntura (Cj) vs Capacidad de Difusión (CD) C j ~ pf (10 12 ) C D ~ μf (10 6 ) C j esta presente siempre en polarización directa e inversa C D solo esta presente en polarización directa R R R R C D C D C j C j Q (Factor de calidad)= ωc j R R Q (Factor de calidad)= ωc D R R r d 28

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30 DIODOS EMISORES DE LUZ ( LED S) OPTOELECTRONICA Conversión electro optica Señal Electrica Electro Señal Optica Opto 30

31 OPTOELECTRONICA Conversión optica electrica Señal Optica Opto Señal Electrica Electro Sensibilidad del ojo humano 31

32 Sensibilidad del ojo humano GENERACION DE FOTONES Fenómeno de recombinación de electrones de la banda de Conducción con huecos de la banda de Valencia Si el semiconductor es del tipo Directo se genera un Fotón desapareciendo el electrón y el hueco El ARSENIURO DE GALIO GaAs es del tipo Directo El Silicio Si es del tipo Indirecto, la recombinación de electrones de la banda de conducción con huecos de la banda de Valencia genera Fonones (Calor) SEMICONDUCTOR Banda de Conducción Electrones Foton Huecos Banda de Valencia 32

33 LED Light Emiting Diode Conversión Electro - Optica Juntura PN polarizada directa para favorecer el fenómeno de recombinación en zonas neutras P (N A ) N (N D ) n p (x) p n (x) n po p no ESTRUCTURA DEL DIODO LED 33

34 EMISION DE LUZ vs IF 34

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37 EFECTO FOTOELECTRICO DE JUNTURA Conversión Óptica -Electro Juntura PN polarizada inversa para favorecer el fenómeno de generación en zona de deplexion Є Zona N Zona P 37

38 FOTODIODO E(λ) Anodo Zona P Zona N Katodo 38

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