FUNDAMENTO DE ELECTRÓNICA

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1 FUNDAMENTO DE ELECTRÓNICA REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN SUPERIOR INSTITUTO UNIVERSITARIO EXPERIMENTAL DE TECNOLOGÍA DE LA VICTORIA LA VICTORIA EDO. ARAGUA Octubre, 2007 Elaborado por: Ing. Lisseth López TEORÍA DE SEMICONDUCTORES

2 FUNDAMENTO DE ELECTRÓNICA DEDICATORIA El siguiente Texto está especialmente dedicado a: Todos mis alumnos y a todos aquellos que no lo fueron quienes de una forma u otra me han enseñado a descubrir mi vocación de educadora y han contribuido notablemente con mi mejoramiento profesional, haciendo más sencilla y amena la noble misión de educar y a la que he dedicado parte de mi vida. TEORÍA DE SEMICONDUCTORES

3 FUNDAMENTO DE ELECTRÓNICA ÍNDICE GENERAL CONTENIDO PAG. Preliminares Portada Dedicatoria Índice General Índice de Figuras i ii iii vii CAPÍTULO I. TEORÍA DE SEMICONDUCTORES 1. Semiconductor 2 2. Banda de Energía y Conductividad Eléctrica del Cristal 4 3. Tipos de Semiconductores Semiconductores Intrínseco Semiconductores Extrínseco Semiconductores Extrínseco Tipo N Semiconductores Extrínseco Tipo P 9 4. Ley de Acción de Masas Ley de Neutralidad de Carga Movilidad y Conductividad Corriente de Arrastre Corriente de Difusión Relación de Einstein 15 CAPÍTULO II. TEORÍA DE DIODOS 1. El Diodo Polarización en Sentido Directo Polarización en Sentido Inverso 21 TEORÍA DE SEMICONDUCTORES

4 FUNDAMENTO DE ELECTRÓNICA 4. Características De Un Diodo En Unión PN Representación Simbólica del Diodo Resistencias del Diodos Resistencia Estática Resistencia Dinámica Influencia De La Temperatura Sobre Las Propiedades De La Unión Influencia de la temperatura sobre la corriente de Saturación S Influencia de la temperatura sobre la tensión directa a los bornes de la unión Esquema Equivalente del Diodo en Régimen Alterno Capacidad de Agotamiento o de Transición Capacidad de Difusión Modelos o Aproximaciones del Diodo Modelo Ideal Modelo de Caída de Tensión Constante Modelo Lineal por Tramos Parámetros y Especificaciones Eléctricas De Los Diodo Verificación del Estado de un Diodo 39 CAPÍTULO III. TIPOS DE DIODOS 1. Diodo Zener Construcción de un Diodo zener Código de Identificación del Zener Aplicación Especificaciones del Fabricante Diodo Led y Fotodiodo Diodo Led Fotodiodo Diodo de Barrera o Schottky Diodo PIN Diodo Varactor o Varicap 56 TEORÍA DE SEMICONDUCTORES

5 FUNDAMENTO DE ELECTRÓNICA 6. Diodo Túnel Diodo de Contacto Puntual 60 CAPÍTULO IV.- APLICACIONES DE LOS DIODOS 1. Rectificador Rectificador de Media Onda Rectificador de Onda Completa Factor de forma (F f ) e Índice de Ondulación (F r ) Factor de Forma (F f ) Índice de Ondulación (F r ) Comparación entre los diferentes Rectificadores Filtraje Filtraje con Condensador Doblador de Tensión Limitador de Tensión Limitador Serie Positivo Limitador Serie Negativo Limitador Paralelo Limitador Parcial o Polarizado de Un Nivel Limitador Polarizado de dos Niveles El Diodo Zener como Regulador de Tensión Circuito Sujetador de Nivel 96 CAPÍTULO V. TEORÍA DEL TRANSISTOR BJT 1. Estructura de un Transistor Bipolar Modos de Operación Configuraciones Del Transistor Configuración Base Común 103 TEORÍA DE SEMICONDUCTORES

6 FUNDAMENTO DE ELECTRÓNICA 3.2. Configuración Emisor Común Configuración Colector Común Curva Característica Relación de Corrientes Polarización del Transistor Polarización Fija Polarización Con Resistencia en el Emisor Polarización Independiente de β Polarización con realimentación de Tensión de Colector Análisis Gráfica de la Polarización en DC El Transistor Como Interruptor 126 BIBLIOGRAFÍA 128 EJERCICIOS PROPUESTOS 129 TEORÍA DE SEMICONDUCTORES

7 FUNDAMENTO DE ELECTRÓNICA ÍNDICE DE FIGURAS FIGURA PAG. CAPÍTULO I. TEORÍA DE SEMICONDUCTORES Fig. 1a.- Red Cristalina de Silicio (Si) 3 Fig. 1b.- Red Cristalina de Arseniuro de Galio (AsGa) 3 Fig. 2a.- Cristal de Silicio (Si) antes del aumento de la temperatura 4 Fig. 2b.- Cristal de Silicio (Si) después del aumento de la temperatura 4 Fig. 3 Estructura de las bandas de energía de un Aislante, un Semiconductor y un Conductor 5 Fig. 4.- Cristal de Silicio contaminado con átomos de Fósforo 8 Fig. 5. Nivel donador o dador introducido por los átomos pentavalentes 9 Fig. 6.- Nivel aceptador o aceptor introducido por los átomos trivalentes 10 Fig. 7.-Movimiento de los huecos debido al movimiento de los electrones 13 CAPÍTULO II. TEORÍA DE DIODOS Fig. 8. Unión PN 17 Fig. 9. Formación de la región de vaciamiento. 18 Fig. 10 Unión PN en equilibrio 19 Fig. 11 Polarización en Directo de la Unión PN 20 Fig. 12 Circulación de Corriente en la Unión PN 20 Fig Polarización en Inverso de la Unión PN 21 TEORÍA DE SEMICONDUCTORES

8 FUNDAMENTO DE ELECTRÓNICA Fig Aumento de la Región Carga Espacial 22 Fig Curva Característica del Diodo 23 Fig Curva Característica real del Diodo 24 Fig Representación Simbólica y Física del Diodo 25 Fig Representación del punto Q sobre la curva característica de Diodo 26 Fig. 19 Resistencia dinámica y Variación del punto Q 28 Fig. 20 Influencia de la temperatura sobre la tensión del diodo 30 Fig. 21Curva Característica de la Capacidad de agotamiento 30 Fig. 22 Variaciones de C T en función de V R para dos diodos Típicos 32 Fig. 23 Curva V vs de un Diodo Ideal 34 Fig. 24 Modelo de caída de voltaje constante de la característica directa del diodo y la Representación de su circuito equivalente 35 Fig. 25 Modelo lineal por tramos de la característica directa del diodo y su circuito equivalente 35 Fig.26 Hoja de Especificaciones del Fabricante BAY73 37 Fig.27 Curvas Eléctricas Típicas del Diodo BAY73 38 Fig. 28 Verificación del estado de un diodo con un ohmetro 40 Fig. 29 puntas del multimetro 40 CAPÍTULO III. TIPOS DE DIODOS Fig. 30 Curva Característica del Diodo Zener 43 Fig. 31 Aspecto Físico y Simbología del Diodo Zener 45 Fig. 32 Curva Característica del diodo zener para la primera aproximación 46 Fig. 33 Curva Característica del diodo zener para la segunda aproximación 46 Fig. 34 Símbolo y Aspecto físico del Diodo LED 49 Fig. 35 Simbología y Aspectos físicos de un Fotodiodo 51 Fig. 36 Curva característica / V de un fotodiodo para diferentes intensidades luminosas 51 Fig. 37 Simbología y Curva Característica del Diodo Schottky 53 Fig.38 Circuito equivalente del diodo PIN en la región Directa e Inversa 56 Fig. 39 Simbología del Diodo PIN 56 TEORÍA DE SEMICONDUCTORES

9 FUNDAMENTO DE ELECTRÓNICA Fig.40 Simbología del Diodo Varicap y Circuito equivalente 57 Fig. 41 Curva de Variación de la Capacitancia vs. Tensión Inversa aplicada 58 Fig. 42 Curva Característica del Diodo túnel 59 Fig. 43 Circuito equivalente y simbología del Diodo Túnel 60 CAPÍTULO IV.- APLICACIONES DE LOS DIODOS Fig. 44 Circuito Rectificador de Media Onda 63 Fig. 45 Señal de Salida de un Circuito Rectificador de Media Onda 63 Fig. 46 Circuito Rectificador Doble Onda con Transformador de Toma Central 64 Fig. 47 Señal de Entrada al Circuito Rectificador Doble Onda con Transformador de Toma Central 65 Fig. 48 Señal de Salida del Circuito Rectificador Doble Onda con Transformador de Toma Central 65 Fig. 49 Señal presente en los Diodos D1 y D2 65 Fig. 50 Circuito Rectificador Onda Completa Tipo Puente 66 Fig. 51 Circuito Rectificador Onda Completa Tipo Puente 67 Fig. 52 Circuito Rectificador de Media Onda con Filtro Capacitivo 70 Fig. 53 Señal de Salida de tensión (V O ) y Corriente i d Circuito Rectificador Media Onda con Filtro Capacitivo. 70 Fig. 54 Circuito Rectificador Onda Completa con Filtro Capacitivo 71 Fig. 55 Señal de Salida Circuito Rectificador Onda Completa con Filtro Capacitivo 72 Fig. 56 Método Gráfico para estimar el factor de rizado 72 Fig. 57 Filtro en con resistencia 74 Fig. 58 Circuito Doblador de Tensión 75 Fig. 59 Circuito Limitador Serie 76 Fig. 60 Señal de Entrada y Salida de un Circuito Limitador Serie Positivo 76 Fig. 61 Circuito Limitador Serie Negativo 77 Fig. 62 Señal de Entrada y Salida de un Circuito Limitador Serie Negativo 77 Fig. 63 Circuito Limitador Paralelo (a) Positivo (b) Negativo 78 Fig. 64 Señales de Salida de los Circuito Limitador Paralelo 78 TEORÍA DE SEMICONDUCTORES

10 FUNDAMENTO DE ELECTRÓNICA Fig. 65 Circuito Limitador Polarizado de un nivel 79 Fig. 66 Señal de Salida de un Circuito Limitador Polarizado de un Nivel 80 Fig. 67 Circuito Limitador Polarizado de un nivel 80 Fig. 68 Señal de Salida de un Circuito Limitador Polarizado de un Nivel 81 Fig. 69 Circuito Limitador Polarizado de un nivel 81 Fig. 70 Señal de Salida de un Circuito Limitador Polarizado de un Nivel 82 Fig. 71Circuito Limitador Polarizado de un Nivel 82 Fig. 72 Señal de Salida de un Circuito Limitador Polarizado de un Nivel 83 Fig. 73 Circuito Limitador Polarizado de dos Niveles 83 Fig. 74 Señal de Salida de un Circuito Limitador Polarizado de Dos Niveles 84 Fig. 75 Circuito Limitador Polarizado de dos Niveles Con Diodos Zener 85 Fig. 76 Señal de Salida de un Circuito Limitador Polarizado de Dos Niveles con diodos Zener 86 Fig. 77 Circuito Regulador de Tensión 86 Fig. 78 Curva Característica del Diodo Zener 87 Fig. 79 Análisis Gráfico de Rs 90 Fig. 80 Circuito Sujetador de Nivel 96 Fig. 81 Señal de Entrada y Salida de un Circuito Sujetador de Nivel 97 CAPÍTULO V. TEORÍA DEL TRANSISTOR BJT Fig. 82 Estructura de los transistores BJT 101 Fig. 83 Polarización de los transistores BJT 103 Fig. 84 Configuración Base Común 104 Fig. 85 Característica de Entrada y Salida de la Configuración Base Común NPN 104 Fig. 86 Transistor NPN con el Emisor Abierto 105 Fig. 87 Configuración Emisor Común 106 Fig. 88 Característica de Entrada y Salida de la Configuración Emisor Común NPN 106 Fig. 89 Configuración Colector Común o Emisor Seguidor 107 TEORÍA DE SEMICONDUCTORES

11 FUNDAMENTO DE ELECTRÓNICA Fig. 90 Circuito Con polarización Fija 110 Fig. 91 Circuito De Entrada 111 Fig. 92 Circuito De Salida 111 Fig. 93 Ejemplo de un Circuito Con polarización Fija 112 Fig. 94 Circuito Con polarización con resistencia en el emisor 113 Fig. 95 Circuito de entrada polarización con resistencia en el emisor 114 Fig. 96 Circuito de entrada polarización con resistencia en el emisor 114 Fig. 97 Ejemplo Circuito de entrada polarización con resistencia en el emisor 115 Fig. 98 Circuito de polarización por divisor de Tensión 116 Fig. 99 Circuito de Polarización por Divisor de Tensión malla de Entrada 117 Fig. 100 Circuito de Polarización por Divisor de Tensión Simplificado 118 Fig. 101 Circuito de Polarización por Divisor de Tensión Malla de Salida 119 Fig. 102 Circuito de Polarización con Realimentación de Tensión 122 Fig. 103 Circuito Autopolarizado 123 Fig. 104 Recta de Carga en Continua 124 Fig. 105 Recta de Carga en Continua para las Variaciones de R C y R E 125 Fig. 106 Recta de Carga en Continua para las Variaciones V CC 125 Fig. 107 Recta de Carga en Continua sobre la característica de Salida del Transistor 126 Fig. 108 El Transistor NPN como Interruptor 127 Fig. 109 Circuito para el accionamiento de un relé 127 TEORÍA DE SEMICONDUCTORES

12 FUNDAMENTO DE ELECTRÓNICA TEORÍA DE SEMICONDUCTORES

13 FUNDAMENTO DE ELECTRÓNICA CAPÍTULO I TEORÍA DE SEMICONDUCTORES TEORÍA DE SEMICONDUCTORES

14 CAPÍTULO I TEORÍA DE SEMICONDUCTORES 1.- Semiconductor Entre los materiales conductores, que permiten una circulación generosa de corriente por presentar una resistencia relativamente baja, y los materiales aislantes, que no permiten la circulación de corriente, nos encontramos una gama de materiales con propiedades propias que denominamos semiconductores ellos tienen una conductividad que varía con la temperatura, pudiendo comportarse como conductores o como aislantes. Todos semiconductores se caracterizan porque en su última capa de electrones de su estructura atómica poseen cuatro (4) electrones (son tetravalentes) llamados electrones de valencia. El elemento semiconductor más usado es el Silicio (Si), pero hay otros semiconductores como el Germanio (Ge) que también son usados en la fabricación de circuitos. El silicio está presente de manera natural en la arena por lo que se encuentra con abundancia en la naturaleza. Además, el Si presenta propiedades mecánicas y eléctricas buenas. Su purificación es relativamente sencilla (llegándose a Si puro del 99,99999%) y el Si se presta fácilmente a ser oxidado, formándose SiO 2 y constituyendo un aislante que se utiliza en todos los transistores de la tecnología CMOS. Aunque idéntico comportamiento presentan las combinaciones de elementos de los grupos II y III con los de los grupos VI y V respectivamente (AsGa, PIn, AsGaAl, TeCd, SeCd y SCd) de la tabla periódica. De un tiempo a esta parte se ha comenzado a emplear también el azufre. En la tabla # 1 se muestra algunos elementos pertenecientes a los grupos II, III, IV, V, VI de la tabla periódica. Estos elementos tienen una estructura más estable si comparten electrones, formando enlaces covalentes, de forma que al compartir estos electrones con átomos vecinos todos ellos tengan en la última capa ocho electrones, situación que es muy estable. TEORÍA DE SEMICONDUCTORES 2

15 Elemento Grupo Electrones en la última capa Cd II A 2 e - Al, Ga, B, In III A 3 e - Si, Ge IV A 4 e - P, As, Sb V A 5 e - Se, Te, (S) VI A 6 e - Tabla #1 Esto hace que se forme una malla de átomos que se denomina red cristalina. El diamante es un ejemplo de este tipo de estructura cristalina formada por átomos de carbono. El silicio, el germanio y el arseniuro de galio forman redes similares ver Figuras 1a y 1b. Un cristal está formado por un conjunto de átomos muy próximos entre sí dispuestos espacialmente de forma ordenada de acuerdo con un determinado patrón geométrico. La gran proximidad entre los átomos del cristal hace que los electrones de su última capa sufran la interacción de los átomos vecinos. Fig. 1a.- Red Cristalina de Silicio (Si) Fig. 1b.- Red Cristalina de Arseniuro de Galio (AsGa) Fuente: En estas condiciones todos los electrones tienen su lugar en la red, así que estos materiales no permiten la movilidad de electrones y por lo tanto son aislantes. Un aumento en la temperatura hace que los átomos en un cristal por ejemplo de silicio vibren dentro de él, a mayor temperatura mayor será la vibración. Con lo que TEORÍA DE SEMICONDUCTORES 3

16 un electrón se puede liberar de su órbita, lo que deja un hueco, que a su vez atraerá otro electrón, y así sucesivamente. En la figura 2a se puede observar un cristal de silicio antes del aumento de la temperatura y en la figura 2b el cristal de silicio después de un aumento de temperatura donde se produce la creación de el hueco y del electrón libre por el rompimiento de los enlaces covalentes del cristal. A 0 ºK, todos los electrones son ligados. A 300 ºK o más, aparecen electrones libres. (a) (b) Fig. 2a.- Cristal de Silicio (Si) antes del aumento de la temperatura. Fig. 2b.- Cristal de Silicio (Si) después del aumento de la temperatura. Fuente: La unión de un electrón libre y un hueco se llama "recombinación", y el tiempo entre la creación y desaparición de un electrón libre se denomina "tiempo de vida". 2.- Banda de Energía y Conductividad Eléctrica del Cristal El nivel energético de cada electrones puede estar situado en la "banda de valencia" o en la "banda de conducción" del cristal. Un electrón que ocupe un nivel dentro de la banda de valencia está ligado a un átomo del cristal y no puede moverse libremente a través de él, mientras que si el nivel ocupado pertenece a la banda de conducción, el electrón puede moverse libremente por todo el cristal, pudiendo formar parte de una corriente eléctrica. Entre la banda de valencia y la de conducción existe una "banda prohibida", cuyos niveles no pueden ser ocupados por ningún electrón del Cristal. La magnitud de ese TEORÍA DE SEMICONDUCTORES 4

17 banda prohibida son permite definir otra diferencia entre los semiconductores, aislante y conductores. En la figura 3 se puede observar la estructura de los niveles o bandas de energía según el tipo del material. La magnitud de la banda prohibida (Eg) de algunos semiconductores son: para el Silicio (Si) es aproximadamente de 1,11 ev, Germanio (Ge) de 0,67 ev, Arseniuro de Galio (AsGa) de 1,43 ev, Telurio de 0,33 ev, Galena (SPb) de 0,37 ev, Antimoniuro de Indio (SbIn) de 0,23 ev. Eg 1eV Eg = 6eV Semiconductor Aislante Conductor Banda de Conducción Banda de Valencia Banda de Prohibida Solapamiento de la Banda de Valencia y la Banda de conducción Fig. 3 Estructura de las bandas de energía de un Aislante, un Semiconductor y un Conductor Fuente: El Autor Para que la conducción de la electricidad sea posible es necesario que haya electrones en la capa de conducción, así podemos considerar tres situaciones: Los conductores, en los que ambas bandas de energía se superponen. Los aislantes, en los que la diferencia existente entre las bandas de energía, del orden de 6 ev impide, en condiciones normales el salto de los electrones. Los semiconductores, en los que el salto de energía es pequeño, del orden de 1 ev, por lo que suministrando energía pueden conducir la electricidad; pero además, su conductividad puede regularse, puesto que bastará disminuir la energía aportada para que sea menor el número de electrones que salte a la TEORÍA DE SEMICONDUCTORES 5

18 banda de conducción; cosa que no puede hacerse con los metales, cuya conductividad es constante, o más propiamente, poco variable con la temperatura. Es importante notar que la conductividad eléctrica de los semiconductores es directamente proporcional a la temperatura, y por ello se afirma que su coeficiente térmico de conductividad es positivo, a diferencia de los metales cuyo coeficiente térmico de conductividad es negativo. Estos coeficientes son positivos, al aumentar la temperatura la resistividad de los metales aumenta o, en forma equivalente, su conductividad disminuye. Por lo contrario, a temperaturas normales (aprox. 25 C), la conductividad de los semiconductores aumenta en un 5% por cada grado de incremento en la temperatura. NOTA: No debe confundirse la resistividad del material con la resistencia del mismo. La resistividad es una propiedad característica de cada material, mientras que la resistencia depende de la forma geométrica. La corriente en los conductores se debe al movimiento de los electrones libres mientras que en los semiconductores se debe al movimiento de los electrones libre y los huecos. 3.- Tipos de Semiconductores 3.1 Semiconductores Intrínseco Son los cristales semiconductores puros. A temperatura ambiente se comporta como un aislante porque solo tiene unos pocos electrones libres y huecos debidos a la energía térmica. En ellos, el número de huecos es igual al número de electrones y es función de la temperatura del cristal. TEORÍA DE SEMICONDUCTORES 6

19 La conductividad en ellos a una temperatura ambiente no suele ser muy alta, y la cantidad de electrones libres es igual a la cantidad de huecos presente en el cristal debido al fenómeno de recombinación. Sucede que, a una determinada temperatura, las velocidades de creación de pares e-h, y de recombinación se igualan, de modo que la concentración global de electrones y huecos permanece invariable. Siendo n la concentración de electrones (cargas negativas) y p la concentración de huecos (cargas positivas), se cumple que: n i n p (1) Siendo n i la concentración intrínseca del semiconductor, función exclusiva de la temperatura. Si se somete el cristal a una diferencia de tensión, se producen dos corrientes eléctricas. Por un lado la debida al movimiento de los electrones libres de la banda de conducción, y por otro, la debida al desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que tenderán a saltar a los huecos próximos, originando una corriente de huecos en la dirección contraria al campo eléctrico cuya velocidad y magnitud es muy inferior a la de la banda de conducción. n i Eg 2* k* T 2 B * T 3/ * e (2) Donde: B: Constante del material semiconductor especifico E g : Es la magnitud del nivel de energía entre banda T: Temperatura en grado Kelvin (K) k : Constante de Boltzmann 86*10-6 ev/ K TEORÍA DE SEMICONDUCTORES 7

20 La constante del material para el Silicio (Si) es 5,23*10 15 cm -3 K -3/2, para el Arseniuro de Galio (GaAs) es 2,10*10 14 cm -3 K -3/2 y para el Germanio (Ge) es de 1,66 cm -3 K -3/ Semiconductores Extrínseco Para aumentar la conductividad en un semiconductor intrínseco se somete al semiconductor a un proceso de dopado, el cual consiste en agregar de una forma controlada átomos o impurezas para cambiar sus características eléctricas y así convertirlo en extrínseco y dependiendo del tipo de impurezas o átomos añadidos podemos tener dos tipos de semiconductores extrínsecos Semiconductores Extrínseco Tipo N Es el semiconductor intrínseco que en el proceso de dopado se le han añadido átomos o impurezas pentavalentes (5 electrones de valencia), entre las podemos que mencionar Fósforo (P), arsénico (As), Antimonio (Sb), las cuales son llamadas también impurezas donadoras las cuales añaden un electrón libre a al cristal a temperatura ambiente ya que los cuatros restantes formaron enlace covalente con los átomos vecinos del semiconductor. Ellas introducen un nivel donador entre la banda de valencia y la banda de conducción pero mas cercano a esta última. En ellos a una temperatura cualquiera existirán más electrones que huecos, los cuales serán llamados portadores mayoritarios a los electrones y portadores minoritarios a los huecos en este caso. En la figura 4 se puede ver un cristal de silicio al cual se le a añadido un átomo de fósforo (P) el cual genera un electrón libre. TEORÍA DE SEMICONDUCTORES 8

21 Fig. 4.- Cristal de Silicio contaminado con átomos de Fósforo (Liberación de un electrón) y átomos de Boro (Absorción de un electrón). Fuente: En la figura 5 se muestra el nuevo nivel de energía de un semiconductor con átomos donadores (por ejemplo P en Si), el nivel dador se encuentra justo por debajo de la banda de conducción. Los electrones ( ) son promocionados fácilmente a la banda de conducción. El semiconductor es de tipo-n. Fig. 5. Nivel donador o dador introducido por los átomos pentavalentes TEORÍA DE SEMICONDUCTORES 9

22 Fuente: Semiconductores Extrínseco Tipo P Es el semiconductor intrínseco que en el proceso de dopado se le han añadido átomos o impurezas trivalentes (3 electrones de valencia), entre las podemos que mencionar Boro (B), Indio (In), Aluminio (Al), Galio (Ga) las cuales son llamadas también impurezas aceptadoras las cuales generan un hueco en el cristal a temperatura ambiente ya que tres de sus electrones de valencia forman enlace covalente con los átomos vecinos del semiconductor y queda un vacío en un de los enlaces covalentes o simplemente no se llega a formar el enlace. Ellas introducen un nivel aceptador entre la banda de valencia y la banda de conducción pero más cercano a la primera. En ellos a una temperatura cualquiera existirán más huecos que electrones, los cuales serán llamados portadores mayoritarios a los huecos y portadores minoritarios a los electrones en este caso, contrario a los semiconductores extrínsecos tipo N. En la figura 4 se puede ver un cristal de silicio al cual se le ha añadido un átomo de boro (B) el cual genera un hueco. En la figura 6 se muestra el nuevo nivel de energía añadido en un semiconductor con átomos aceptores (por ejemplo B en Si), el nivel aceptor se encuentra justo por encima de la banda de valencia. Los electrones son promovidos fácilmente al nivel aceptor dejando agujeros positivos ( ) en la banda de valencia. El semiconductor es de tipo-p. TEORÍA DE SEMICONDUCTORES 10

23 Fig. 6.- Nivel aceptador o aceptor introducido por los átomos trivalentes Fuente: Ley de Acción de Masas Esta ahora hemos observado que, al añadir impurezas de tipo n, disminuye el número de huecos. De forma similar ocurre al dopar con impurezas tipo p, disminuye la concentración de electrones libres a un valor inferior a la del semiconductor intrínseco, en condiciones de equilibrio térmico, el producto de la concentración de las cargas positivas y negativas libres es una constante independiente de la cantidad de átomo donador o aceptador. Esta ecuación se denomina Ley de Acción de Masas y viene dada por: n (3) 2 * p ni 5.- Ley de Neutralidad de Carga En todo material semiconductor en circuito abierto se debe cumplir que la suma de las cargas positivas debe ser igual a la suma de las cargas negativas. Así la concentración de cargas positivas esta constituida por la suma de los iones positivos N D y los huecos p, N D + p. De la misma manera la concentración de cargas negativas esta constituida por la suma de los iones negativos N A y los electrones n, N A + n TEORÍA DE SEMICONDUCTORES 11

24 N D p N n (4) A Cuando tenemos un material tipo n, que tenga N A = 0. El número de electrones será mucho mayor que el número de huecos por lo tanto se puede aproximar la ecuación anterior a: n nn N D (5) N D Por lo tanto, lo portadores minoritarios, los huecos se calculan utilizando la ley de acción de masa: p n n N 2 i (6) De igual manera, en un semiconductor del tipo p: n p p N A 2 p * p p ni D n p n N 2 i (7) 6.- Movilidad y Conductividad En los semiconductores la corriente eléctrica es el resultado del movimiento de ambas cargas, es decir, de los electrones libre y los huecos, esto esta asociado a dos fenómenos físicos. Corriente de Arrastre o Desplazamiento (fuga) Corriente de Difusión. 6.1 Corriente de Arrastre Este primer fenómeno se origina por el movimiento de las cargas cuando se aplica un campo eléctrico al material semiconductor. Cuando las cargas son aceleradas por el campo eléctrico se producen que aumentan la energía térmica la cual va a fomentar el movimiento de las cargas en forma no aleatoria. Y los portadores e carga se ven afectado e la siguiente manera: Electrones libres: La fuerza que el campo eléctrico ejerce sobre los electrones provocará el movimiento de estos, en sentido opuesto al del campo eléctrico aplicado. De este modo se originará una corriente eléctrica. La densidad de la corriente A TEORÍA DE SEMICONDUCTORES 12

25 eléctrica (número de cargas que atraviesan la unidad de superficie en la unidad de tiempo) dependerá de la fuerza que actúa (q*e), del número de portadores existentes y de la movilidad con que estos se mueven por la red, es decir: Donde: J * n* q E (8) n n * J n : Densidad de corriente de los electrones n : Movilidad de los electrones en el material n : Concentración de los electrones q : Carga eléctrica (1,6 * C) E : Campo eléctrico aplicado. La movilidad n es característica del material, y está relacionada con la capacidad de movimiento del electrón a través de la red cristalina. Huecos: El campo eléctrico aplicado ejerce también una fuerza sobre los electrones asociados a los enlaces covalentes. Esa fuerza puede provocar que un electrón perteneciente a un enlace cercano a la posición del hueco salte a ese espacio. Así, el hueco se desplaza una posición en el sentido del campo eléctrico. Si este fenómeno se repite, el hueco continuará desplazándose. Aunque este movimiento se produce por los saltos de electrones, podemos suponer que es el hueco el que se está moviendo por los enlaces. Fig. 7.-Movimiento de los huecos debido al movimiento de los electrones TEORÍA DE SEMICONDUCTORES 13

26 Fuente: La carga neta del hueco vacante es positiva y por lo tanto, se puede pensar en el hueco como una carga positiva moviéndose en la dirección del campo eléctrico. Obsérvese en la figura 7 que los electrones individuales de enlace que se involucran en el llenado de los espacios vacantes por la propagación del hueco, no muestran movimiento continuo a gran escala. Cada uno de estos electrones se mueve únicamente una vez durante el proceso migratorio. En contraste, un electrón libre se mueve de forma continua en la dirección opuesta al campo eléctrico. Análogamente al caso de los electrones libres, la densidad de corriente de huecos viene dada por: Donde: J * p * q E (9) p p * J p : Densidad de corriente de los huecos p : Movilidad de los huecos en el material p : Concentración de huecos q : Carga eléctrica (1,6 * C) E : Campo eléctrico aplicado. La movilidad p es característica del material, y está relacionada con la capacidad de movimiento del hueco a través de los enlaces de la red cristalina. La "facilidad" de desplazamiento de los huecos es inferior a la de los electrones. Considerando ahora el caso de un semiconductor que disponga de huecos y electrones, al que sometemos a la acción de un campo eléctrico. Hemos visto cómo los electrones se mueven en el sentido opuesto a la del campo eléctrico, mientras que los huecos lo harán según el campo. El resultado es un flujo neto de cargas positivas en el sentido indicado por el campo, o bien un flujo neto de cargas negativas en sentido contrario. En definitiva, la densidad de corriente total es la suma de las densidades de corriente de electrones y de huecos: TEORÍA DE SEMICONDUCTORES 14

27 J J J Arrastre Total n p (10) 6.2 Corriente de difusión En segundo lugar tenemos el fenómeno de difusión; por regla las cargas electrones y huecos, se mueven en sentido del gradiente de concentración, van de regiones de mayor concentración a regiones de menor concentración para favorecer el equilibrio de las cargas; este movimiento genera una corriente proporcional al gradiente de concentración. La difusión no depende del valor absoluto de la concentración de portadores, sino solamente de su derivada espacial, es decir, de su gradiente la cual obedece Ley Fick es la relación de proporcionalidad entre la densidad de corriente y el gradiente de concentración de portadores de carga debido al fenómeno de la difusión. J D * q * n (11) Donde J es la densidad de corriente (en A/m 2 ), D es la difusividad (en m 2 /s), q la carga de los portadores (en C) y n (o p ) el gradiente de concentración de electrones (o huecos) (en electrones o huecos /m 4 ). En los metales, la difusión no es un proceso de importancia, porque no existe un mecanismo mediante el cual se pueda generar un gradiente de densidad. Dado que en un metal únicamente hay portadores negativos de carga, cualquier gradiente de portadores que se pudiera formar desequilibraría la neutralidad de la carga. El campo eléctrico resultante crearía una corriente de arrastre, que de manera instantánea anularía el gradiente antes de que pudiera darse la difusión. Por el contrario, en un semiconductor hay portadores positivos y negativos de carga, por lo que es posible la existencia de un gradiente de densidad de huecos y de electrones, mientras se mantiene la neutralidad de la carga. En un semiconductor, los componentes de la densidad de corriente de difusión pueden expresarse de forma unidimensional mediante la ecuación: TEORÍA DE SEMICONDUCTORES 15

28 J dn dp q * Dn * q * Dp (12) dx dx Difusión _ Total * El segundo término de la expresión tiene signo negativo porque la pendiente negativa de los huecos da lugar a una corriente negativa de los huecos. Donde: J Difusión: Densidad de Difusión total D p : Difusividad de los huecos D n : Difusividad de los electrones n : Concentración de electrones p : Concentración de huecos q : Carga eléctrica (1,6 * C) 7.- Relación de Einstein Establece la relación entre la constante de difusión (difusividad) y la movilidad de cada portador ya que ambas son fenómenos estadísticos termodinámicas y no son independientes. Esta relación viene dada por la ecuación de Einstein D D V n p T (12) n p Donde V T es el Potencial equivalente de Temperatura, definido por: k * T V T q (13) k : Constante de Boltzmann (1,38*10-23 J/ K); T: Temperatura en Kelvin; q: Carga del electrón (1,6*10-19 C) TEORÍA DE SEMICONDUCTORES 16

29 CAPÍTULO II TEORÍA DE DIODOS TEORÍA DE DIODOS

30 CAPÍTULO II TEORÍA DE DIODOS 1.- El Diodo Un diodo no es más que la unión de un semiconductor tipo P con un semiconductor tipo N a la que se le han añadido 2 terminales uno en la parte p y otro en la parte n, para poder acoplarse a un circuito. En la figura 8 se puede observar una representación idealizada de la unión PN. Ion Aceptador Ion Donador Hueco Electrón Tipo p Unión Tipo n Fig. 8.- Unión PN Fuente: El autor Es decir que el semiconductor de la región P tiene impurezas de tipo aceptadora y de concentración N A y la región N tiene impurezas de tipo donadora N D. A la temperatura ordinaria esas impurezas son ionizadas. Una impureza aceptadora N A da un hueco libre móvil y una impureza donadora N D da un electrón libre móvil. Después esas impurezas forman iones cargados, fijos en la red, iones negativos en la región P e iones positivos en la región N respecto a la característica de la neutralidad de los semiconductores antes del movimiento de los portadores. Cuando los trozos de semiconductores entran en contacto, comienza a actuar los mecanismos de difusión tanto en los electrones del semiconductor N como en los TEORÍA DE DIODOS 18

31 huecos del semiconductor P. El mecanismo de difusión actúa de modo similar al comportamiento de un gas. Por Ejemplo, los huecos del semiconductor P, cuando se ven unidos a un trozo de semiconductor en el que la presencia de huecos es casi nula (Semiconductor N), comienzan a desplazarse hacia el semiconductor tipo N. Ahora bien, tal como lo haría un gas, los huecos que se encuentran en la frontera con el semiconductor N comienzan a desplazarse hacia la zona del semiconductor tipo n, con el propósito de equilibrar la concentración de huecos a lo largo de toda la unión pn. Ocurre exactamente lo mismo con los electrones del semiconductor N que se encuentran en la frontera con semiconductor tipo P donde apenas hay unos cuantos electrones, comienzan a desplazarse hacia la zona del semiconductor tipo P. Que ocurriría si los huecos de la zona P se dirigen a la zona N y los electrones de la zona N se dirigen a la zona P? Como los electrones se dirigen a un sitio con muchos huecos, se recombinan con los huecos, y como los huecos se dirigen a un sitio con muchos electrones, también se recombinan con los electrones, esto conlleva que en la zona próxima a la unión se produzca un vaciamiento de portadores libres (electrones y huecos), quedando por lo tanto en presencia de los iones de los semiconductores, cargada positivamente en el semiconductor N y negativamente en el P. Ahora bien, conformé se va formando esa región de carga espacial o también conocida como región de agotamiento, entorno a la unión, se va creando un campo eléctrico E en dicha región de carga, y dirigido de la parte positiva a la negativa como se puede observar en la figura 9. Ion Negativo Ion Positivo Tipo Hueco Tipo Electrón Neutro Hueco E Neutro Electrón TEORÍA DE DIODOS 19

32 Fig. 9.- Formación de la región de vaciamiento. Fuente: El Autor En principio, los electrones y los huecos seguirán difundiéndose, pero en el momento en que forma el campo eléctrico este se opone al movimiento de electrones de la zona N a la P y se opone al movimiento de huecos de la zona P a la N. Por lo tanto hay, una doble tendencia que intenta mover a los electrones y a los huecos: la difusión y el campo eléctrico que se generan en la región de carga espacial. Al principio, la difusión es suficiente para vencer al campo eléctrico, pero, al ir creciendo la región de carga espacial, el campo también crece, y cada vez se opone con más fuerza a la difusión. Pero llegará el momento en que el campo eléctrico sea lo suficientemente grande como para detener el flujo de los electrones y huecos debido a la difusión. Entonces se habrá llegado a una situación de equilibrio, y habrá cesado el flujo de carga. Región de Carga Espacial Tipo p Tipo n Neutro Neutro E Fig Unión PN en equilibrio. Fuente El Autor Como se ha dicho anteriormente la unión PN conforma un diodo. Ahora queda añadirle 2 terminales externos para ver como se comporta la unión PN cuando se le aplica una determinada tensión entre la parte p y su parte n. 2.- Polarización en Sentido Directo. TEORÍA DE DIODOS 20

33 Supongamos que le aplicamos una tensión positiva V D entre la parte p y n como muestra la figura 11. E Tipo p Tipo n Fig Polarización en Directo de la unión PN Fuente: El Autor El hecho de aplicar esa tensión V D hace que se forme un campo eléctrico E que atraviesa toda la unión pn, y cuyo sentido es de la zona p a la zona n, ese campo se superpone en sentido opuesto al campo eléctrico que había en la región de carga espacial el cual disminuirá, provocando que se reanude la difusión y se generara una corriente eléctrica en el sentido de p a n, debida al flujo de huecos hacia la zona n y el flujo de electrones hacia la zona p. En tal situación la región de carga espacial habrá disminuido. Ver figura 12. V E E D D Tipo Tipo Hueco Electrón E D V D TEORÍA DE DIODOS 21

34 Fig Circulación de Corriente en la Unión PN Fuente: El Autor La corriente es debida en su mayor parte al movimiento de los portadores mayoritarios tanto de los huecos como de los electrones. 3.- Polarización en Sentido Inverso Supongamos que le aplicamos una tensión positiva V D entre la parte n y p como muestra la figura 13. E Tipo p Tipo n E D V Fig Polarización en Inverso de la Unión PN Fuente: El Autor Al aplicar más tensión a la parte N que a la parte P se genera un campo eléctrico E D dirigido de la zona N a la zona P, que se superpondrá al campo de la región de carga espacial, y, al ser del mismo sentido, dará como resultado que el campo eléctrico E de la región de carga aumente; al ser el campo el elemento que se opone a la difusión, entonces, al aumentar imposibilitaría aun más la difusión. El resultado es que, al igual que en el equilibrio, no circulara corriente a través de la unión, pero TEORÍA DE DIODOS 22

35 esta vez habrá aumentado la región de carga espacial. Como se puede observar en la figura 14. E Tipo p Tipo n E D V Fig Aumento de la Región Carga Espacial Fuente: El Autor En la polarización Inversa se dice que no hay circulación de corriente significativa a través de la unión pero en realidad existe una pequeñísima corriente eléctrica que es debida a los portadores minoritarios y fluye de la zona N a la zona P la cual recibe el nombre de corriente inversa de saturación. 4.- Características De Un Diodo En Unión PN Matemáticamente, la relación existente entre la tensión directa V D que soporta la unión y la corriente que fluye de la zona P a la zona N viene dada por la siguiente expresión: TEORÍA DE DIODOS 23

36 V D VT ( 1) S e (14) Esta es la expresión (V D ) de una unión ideal. En una unión real, es similar pero no del todo idéntica. Donde: : Es la intensidad de corriente que atraviesa el diodo. V D : Es diferencia de tensión en los extremo del diodo S : Es la intensidad de corriente de saturación (Es decir valores negativos de V D ) V T : Es una Constante que varia con la temperatura conocido como Voltaje Térmico o Potencial equivalente de Temperatura y que para una temperatura de 300K tiene un valor de: V T 0,0259V 25, 9mV La gráfica de esta relación tensión corriente es evidente: Fig Curva Característica del Diodo Fuente: El Autor. TEORÍA DE DIODOS 24

37 Si a la unión PN se le aplica una tensión inversa muy grande, entonces por ella circulará una corriente inversa considerable, debida a dos mecanismos. Avalancha (Diodos Poco Dopados): Si la tensión inversa es muy grande, entonces el campo eléctrico que soporta la unión también lo es. Como ese campo atraviesa toda la unión, es capaz de captar tanto electrones minoritarios de la zona P como huecos de la zona N, y acelerarlos mucho, de tal modo que, tan grande es su energía cinética, que al colisionar con los enlaces de la red cristalina, se llevan por delante a otros tantos electrones ( es decir, rompen los enlaces, liberándose electrones), que, por el mismo mecanismo, pueden seguir rompiendo mas enlaces y en consecuencia generan al final una gran cantidad de electrones en movimientos que dan lugar a la corriente eléctrica. Efecto Zener ( Diodos muy Dopados): El efecto zener se basa en la aplicación de tensiones inversas que originan fuertes campos eléctricos que producen la rotura de los enlaces covalentes dejando así electrones libres capaces de establecer la conducción y no requiere la aceleración de un portador de carga (huecos o electrones) debida al campo. El efecto zener es reversible y así no es destructible cuando se limita la corriente a un valor no demasiado elevado para que no se funda la unión. De ese modo, la grafica real de la corriente que circula por la unión en sentido de P hacia N en función de la tensión directa será: TEORÍA DE DIODOS 25

38 Donde: Fig Curva Característica real del Diodo Fuente: El Autor. V γ : Tensión umbral. La tensión umbral (también llamada barrera de potencial) de polarización directa coincide en valor con la tensión de la zona de carga espacial del diodo no polarizado. I max : Corriente máxima. Es la intensidad de corriente máxima que puede conducir el diodo sin fundirse por el efecto Joule. I s : Corriente Inversa de Saturación Es la pequeña intensidad de corriente que se establece al polarizar inversamente el diodo por la formación de pares electrón-hueco debido a la temperatura, admitiéndose que se duplica por cada incremento de 10º en la temperatura. V r : Tensión de ruptura. Es la tensión inversa máxima que el diodo puede soportar antes de darse el efecto avalancha. 5.- Representación Simbólica del Diodo. Como se dijo anteriormente un diodo no es más que una unión PN a la que se le añaden 2 terminales externos para conectarse a un circuito, en la figura 17 se puede observar la representación simbólica y la física de un diodo normal (De Propósito General o Rectificador) con son 2 terminales Ánodo (Positivo) y Cátodo (Negativo). TEORÍA DE DIODOS 26

39 Fig Representación Simbólica y Física del Diodo 6.- Resistencias del Diodos Cuando el punto de operación de un diodo se mueve desde una región a otra, la resistencia del diodo también cambia debido a la forma no lineal de la curva característica, si se analiza un diodo trabajando en régimen de continua o si está trabajando en pequeña señal, lo cual significa que se aplica una señal alterna montada sobre un nivel de continua. Se puede hablar de 2 tipos de resistencia a saber: Resistencia Estática. Resistencia Dinámica Resistencia Estática. Se obtiene al aplicar voltaje directo, el punto de operación no cambia con el tiempo, es decir la resistencia estática de un diodo es independiente de la característica en la región entorne al punto de interés solo depende del Voltaje y la corriente en el punto de polarización (Q). Este punto corresponde a una tensión de polarización que por un valor determinado da una corriente constante en régimen continuo. R D V I d d TEORÍA DE DIODOS 27

40 Fig Representación del punto Q sobre la curva característica de Diodo Resistencia Dinámica La resistencia del diodo cambia con la corriente que le atraviese, por lo tanto se define una resistencia en cada punto de la característica por la expresión: r D Se llama resistencia o dinámica de la unión, que corresponde a la resistencia interna del diodo. r D Gráficamente la resistencia dinámica r D es un punto de la característica y se mide por la pendiente de la recta tangente en ese punto. V S e VT Teóricamente de la ecuación ( 1) D dv di 1 r D di dv I S 1 V T V e V D T Pero en la polarización directa VD V Se T di dv I V T r D La relación anterior de la expresión de la resistencia de unión correspondiente a la corriente que la atraviesa es decir, que fija el punto sobre la curva característica (V) V I T TEORÍA DE DIODOS 28

41 llamado punto de polarización. La resistencia diferencial polarización sobre la curva característica. A la temperatura ambiente: La resistencia diferencial o dinámica r D = 25,9 Ω cuando = 1mA r D = 2,59 Ω cuando = 10mA r D = 2,59KΩ cuando = 10µA dv r D di r D cambia el punto de se puede determinar gráficamente por la medición de la pendiente de la tangente a la curva característica en el punto de polarización. Esa pendiente da 1. r D Experimentalmente se puede también notar la resistencia dinámica del diodo como la razón de una pequeña variación de voltaje V y de la variación correspondiente de la intensidad. r D r D V I Prácticamente se toma una pequeña variación de la alrededor del punto de polarización y se nota la variación correspondiente del V. Esas variaciones deben ser pequeñas porque la característica se aproxima a una recta y eso es exacto sobre un pequeño intervalo alrededor de. TEORÍA DE DIODOS 29

42 Fig. 19 Resistencia dinámica y Variación del punto Q 7.- Influencia De La Temperatura Sobre Las Propiedades De La Unión Los semiconductores dependen mucho del efecto de la temperatura. En el caso de los diodos la temperatura cambia: A la corriente directa constante, el valor de la tensión a los bornes del diodo. A la tensión inversa constante, el valor de la corriente inversa de saturación S Esos efectos se denominan Derivas Térmicas Influencia de la temperatura sobre la corriente de Saturación S La corriente inversa de la unión viene del flujo de los portadores minoritarios en la unión. Es decir que la variación de S en función de la temperatura sigue la ley de variación de la generación de los portadores en función de la temperatura. TEORÍA DE DIODOS 30

43 I S B * T 3 * e Eg k* T El término e E g KT temperatura ambiente (300 K). de la ecuación anterior, cambia mucho más que T 3 alrededor de la I S ( T Donde k i = 0,072/C= 7,2%/C, resulta I S ( T 1 ) 1 ) I S ( T 0 ) e K ( T T ) ( T1 T0 ) /10 I S ( T0 )2, (e 0,72 2) S se duplica aproximadamente cada 10 C de aumento de T La corriente inversa de los diodos de Si es menor que la corriente inversa para los diodos Ge. Esta corriente aumenta rápidamente cuando aumenta la temperatura. i Influencia de la temperatura sobre la tensión directa a los bornes de la unión. De manera general la tensión a los bornes de un diodo de unión PN de Si o Ge polarizada a corriente constante, disminuye cuando ambiente aumenta de 1C. V D ( T2 ) VD ( T1 ) kv ( T2 T1 ) V D k T T 1, T 2 Temperatura K v coeficiente de temperatura V/C (usado en termómetros) -2,5 mv/c Germanio -2,0 mv/c Silicio -1,5 mv/c Schottky v TEORÍA DE DIODOS 31

44 Fig. 20 Influencia de la temperatura sobre la tensión del diodo. 8.- Esquema Equivalente del Diodo en Régimen Alterno. Capacidad de agotamiento o Transición. Capacidad de Difusión Capacidad de Agotamiento o de Transición Del comportamiento de la unión PN en la región inversa observamos la analogía entre la capa de agotamiento (o deplexión) y un condensador. A medida que cambia el voltaje en paralelo con la unión PN, la carga almacenada en la capa de agotamiento cambia de conformidad. En la figura 21 se muestra una curva característica típica de carga versus el voltaje externo aplicado de una unión PN. Fig. 21Curva Característica de la Capacidad de agotamiento Cuando el dispositivo se polariza en inverso y la variación de la señal alrededor del punto de polarización es pequeña como se ilustra se puede usar una aproximación de capacitancia lineal. Desde esta aproximación a pequeña señal, la capacidad de agotamiento o transición es simplemente la pendiente de la curva q J versus V R en el punto Q de polarización. TEORÍA DE DIODOS 32

45 Fácilmente derivando se puede hallar una expresión para C j. Si tratamos la capa de agotamiento como un condensador de placas planas paralelas obtenemos una expresión idéntica para C j. La expresión resultante para C j se puede escribir en una forma conveniente Siendo C jo el valor de C j obtenido para voltaje aplicado cero V R = V Q = 0 El análisis precedente y la expresión para C j se aplican para uniones en las que la concentración de portadores se hace cambiar abruptamente en la frontera de la unión. Una fórmula más general para C j es Donde m es una constante cuyo valor depende de la manera en que cambia la concentración del lado P al lado N de la unión. Se denomina coeficiente de distribución, y su valor es de ⅓ a ½. También se conoce C j = C T. Para resumir, a medida que un voltaje de polarización inversa se aplica a una unión PN, ocurre un transitorio durante el que la capacitancia de agotamiento se carga al nuevo voltaje de polarización. Una vez que gradualmente desaparezca el transitorio, la corriente inversa de estado estable es simplemente S. En realidad, corrientes de TEORÍA DE DIODOS 33

46 hasta unos pocos nanoamperes (10-9 A) circulan en dirección inversa, en dispositivos para los que S es del orden A. Esta gran diferencia se debe a fuga y otros efectos. Además, la corriente inversa depende en cierta medida de la magnitud del voltaje inverso, contrario al modelo teórico, que expresa que S independiente del valor del voltaje inverso aplicado. No obstante lo anterior, debido a que intervienen corrientes muy bajas, por lo general no nos interesamos en los detalles de la curva característica i-v del diodo en la dirección inversa. En la Figura 22 se observa la variación de C T en función de V R para dos diodos típicos. Fig. 22 Variaciones de C T en función de V R para dos diodos Típicos Se observa de la figura 22 que cuanto mayor sea la tensión inversa, mayor es el ancho W agot de la región de agotamiento o de carga espacial, y como consecuencia, menor la capacidad C j. TEORÍA DE DIODOS 34

47 De manera análoga, si aumenta la tensión directa, W agot disminuye y C j aumenta. En ciertos circuitos se utiliza este efecto de la variación de la capacidad con la tensión de una unión PN polarizada inversamente Capacidad de Difusión De la descripción de la operación de la unión PN en la región de sentido directo observamos que, en estado estable, cierta cantidad de exceso de carga de portadores minoritarios se almacena en la mayor parte de cada una de las regiones P y N con carga neutra. Si cambia la tensión entre terminales, este cambio finalizará antes que se alcance un nuevo estado estable. Este fenómeno de carga y almacenamiento da lugar a otro efecto capacitivo, muy diferente del que se debe al almacenamiento de carga en la región de agotamiento. Para pequeñas variaciones de carga situadas alrededor de un punto de polarización, podemos definir la capacitancia de difusión a pequeña señal C d como: Y podemos demostrar que Donde es la corriente del diodo en el punto de polarización. Nótese que C d es directamente proporcional a la corriente del diodo y es, por lo tanto, tan pequeña que es despreciable cuando el diodo se polariza inversamente. Nótese también que para mantener una C d pequeña, el tiempo de tránsito T debe hacerse pequeño, lo cual es un requisito importante para diodos destinados para operación a alta velocidad o alta frecuencia. 9.- Modelos o Aproximaciones del Diodo. TEORÍA DE DIODOS 35

48 Modelo Ideal Modelo de caída de voltaje constante Modelo Lineal por tramos Modelo Ideal Un modelo útil para una gran variedad de instancias de análisis es el ideal, que describe al diodo como una válvula unidireccional, esto es, como un conductor perfecto cuando es polarizado directamente (positivo en el ánodo, negativo en el cátodo), y como un aislador perfecto cuando es polarizado negativamente. La figura 23 muestra la grafica el modelo ideal. Fig. 23 Curva V vs de un Diodo Ideal Si D es positiva, V D es cero, y se dice que el diodo está en estado On (encendido). Si V D es negativo, D es cero, y se dice que el diodo está en estado Off (apagado). El modelo ideal se puede utilizar si el contexto del circuito se puede presumir que los voltajes serán de magnitud suficiente para asegurar uno u otro estado de operación de los diodos, y si, frente a esos niveles de voltaje y corriente, los voltajes de conducción y las corrientes inversas resultan despreciables. También resulta muy útil el modelo ideal si lo que se requiere es la comprensión del funcionamiento de un circuito (cualitativo) más que un análisis exacto (cuantitativo). TEORÍA DE DIODOS 36

49 En este modelo se sustituyen o se reemplazan en el circuito el símbolo de diodo por cortocircuitos (los supuestos en estado On) y por circuitos abiertos (los supuestos en estado Off) Modelo de Caída de Tensión Constante En este modelo no solo se sustituyen o se reemplazan en el circuito el símbolo de diodo por cortocircuitos los que están en estado On y por circuitos abiertos los que están en estado Off, sino que se lo agrega una fuente de tensión en serie al diodo al diodo ideal, el valor de la fuente es la tensión umbral del diodo. En la figura 24 se puede observar la curva característica V vs de diodo bajo usando esta aproximación o modelo. Fig. 24 Modelo de caída de voltaje constante de la característica directa del diodo y la Representación de su circuito equivalente Modelo Lineal por Tramos Algunas aplicaciones cuyas solución requiere de mayor precisión obligan a mejorar el modelo anterior, haciendo consideración tanto del voltaje de umbral (V D0 ) (diferente de 0[V]) como del carácter finito de la pendiente de la curva V-. TEORÍA DE DIODOS 37

50 Fig. 25 Modelo lineal por tramos de la característica directa del diodo y su circuito equivalente. r D = 20 Ω; D = 0, V D V D0 ; D = (V D V D0 )/r D ; Para V D V D0 r D : Resistencia interna del diodo válida tanto para condiciones estáticas como dinámicas 10.- Parámetros y Especificaciones Eléctricas De Los Diodo La construcción de un diodo determina la cantidad de corriente que es capaz de manejar, la cantidad de potencia que puede disipar y la tensión inversa pico que puede soportar sin dañarse. A continuación se lista los parámetros principales que se encuentran en la hoja de especificaciones del fabricante de un diodo rectificador: 1. Tipo de dispositivo con el número genérico de los números del fabricante. 2. Tensión de pico Inverso (PIV). Este valor es igual al máximo valor que el diodo puede tolerar cuando se polariza en inversa. 3. Máxima corriente inversa en PIV ( R ) (a temperatura y corriente especificadas) 4. Máxima corriente de cd en directo ( f ). Este valor es igual a la máxima corriente que puede circular por el diodo sin dañarlo cuando éste se encuentra en el estado de conducción. 5. Corriente promedio de media onda rectificada en directo ( o ). TEORÍA DE DIODOS 38

51 6. Máxima temperatura de la unión. 7. Capacitancia máxima (c). 8. Disipación de Potencia. 9. Curvas de degradación de corriente. 10. Curvas características para cambio en temperatura de tal forma que el dispositivo se pueda estimar para altas temperaturas. TEORÍA DE DIODOS 39

52 Fig.26 Hoja de Especificaciones del Fabricante BAY73 TEORÍA DE DIODOS 40

53 Fig.27 Curvas Eléctricas Típicas del Diodo BAY73 TEORÍA DE DIODOS 41

54 11.- Verificación del Estado de un Diodo Debemos recordar que los diodos son componentes que conducen la corriente en un solo sentido, teniendo en cuenta esto, se pueden probar con un multímetro en la posición de "óhmetro" ya que para hacer la prueba de resistores, por él circula una pequeña corriente que suministra el propio instrumento. En otras palabras, el multímetro como óhmetro no es más que un microamperímetro en serie con una batería y una resistencia limitadora. Cuando el terminal positivo de la batería del multímetro se conecta en serie con el ánodo del diodo bajo ensayo y el otro terminal del instrumento se conecta al cátodo, la indicación debe mostrar una baja resistencia, mayor deflexión se conseguirá cuanto más grande sea el rango, según se indica en la figura 28a. En inversa el instrumento causará alta resistencia. En teoría la resistencia inversa debería ser infinita, con lo cual la aguja del multímetro no se debería mover, como lo sugiere la figura 28b, pero en algunos diodos, especialmente los de germanio, cuando se los mide en rangos superiores a R x 100 en sentido inverso, provocan una deflexión notable llegando hasta un tercio de la escala, lo cual podría desorientar a los principiantes creyendo que el diodo está defectuoso cuando en realidad está en buenas condiciones. Por lo tanto, para evitar confusiones la prueba de diodos debe realizarse en el rango más bajo del óhmetro tal que al estar polarizado en directa la aguja deflexione indicando baja resistencia y cuando se lo polariza en inversa la aguja del instrumento casi no se mueva, lo que indicará resistencia muy elevada. Si se dan estas dos condiciones, entonces el diodo está en buen estado. Si la resistencia es baja en ambas mediciones, significa que el diodo está en cortocircuito, en cambio si ambas lecturas indican muy alta resistencia, es indicio de que el diodo está abierto. En ambos casos se debe desechar el componente. La prueba es válida para la mayoría de los multímetros analógicos en los cuales el negativo del "multímetro" corresponde al terminal positivo de la batería interna, cuando el multímetro funciona como óhmetro, esto se ejemplifica en la figura 29 TEORÍA DE DIODOS 42

55 El método aplicado es igualmente válido para todos los diodos sin incluir los rectificadores de alta tensión empleados en televisores transistorizados, como por ejemplo diodos de potencia para fuentes de alimentación, diodos de señal, diodos varicap, diodos zener, etc., ya sean de germanio o de silicio. Hay que observar que cuando se utiliza un multímetro digital que tiene una posición para el diodo, puede llevarse a cabo una prueba dinámica de este dispositivo semiconductor. Con un diodo en buenas condiciones, el voltaje de polarización directa que despliega el mutímetro debe ser, aproximadamente, de 0,7 V. El procedimiento anterior es la mejor prueba para verificar el estado de un diodo a b Fig. 28 Verificación del estado de un diodo con un ohmetro. a.- Cuando el diodo está polarizado en sentido directo, la lectura del ohmetro es baja b. Si el diodo se polariza en sentido inverso, la lectura del ohmetro indica una resistencia muy alta (infinita). TEORÍA DE DIODOS 43

56 Fig. 29 Nota: En los multimetros analógicos, la punta roja corresponde al negativo de la batería interna. TEORÍA DE DIODOS 44

57 Rectificador Zener Tunel CAPÍTULO III TIPOS DE DIODOS Varicap o Varactor Led FotoDiodo TIPOS DE DIODOS

58 TEORÍA DE DIODOS 46

59 CAPÍTULO III TIPOS DE DIODOS Según su construcción, se podría decir que existen dos tipos de diodos: de Contacto por punta y de unión. Los de contacto por punta están formados por un cristal semiconductor montado sobre una base de metal y por un alambre terminado en punta, la cual hace contacto a presión con el semiconductor. Un Terminal de conexión exterior va soldado al extremo libre del alambre y el otro a la base del metal. El alambre suele ser de aleación de platino, tungsteno, bronce fosforoso, etc. El cristal semiconductor, de silicio tipo P o germanio tipo N. En realidad, no existe unión PN en este tipo de diodo. Los diodos de unión están formado por la unión de dos cristales de diferentes clases uno tipo N y otro tipo P. Los terminales de conexión exteriores van unidos a las superficies extremas de los cristales. Este tipo de diodo trabaja con potencias más elevadas que los de contacto por punta. Algunos diodos dentro de los dos tipos planteados son: 1. Diodo Zener El diodo zener corresponde a una unión PN particular polarizada en sentido inverso es decir que el cátodo (K) se conecta a un potencial más elevado que el ánodo (A), se caracteriza porque conduce en la zona inversa a partir de una tensión negativa V Z. Tiene tres zonas de funcionamiento, la zona de polarización en sentido directo tiene las mismas características que el diodo rectificador o de propósito general, mientras que en polarización en sentido inverso se diferencian dos zonas, una en la que el diodo no conduce y en la que si conduce o permite la circulación de corriente, y la tensión tiene un valor menor o igual a la tensión Zener o de ruptura (V Z ), Esta tensión TIPOS DE DIODOS 47

60 de ruptura depende de las características de construcción del diodo, se fabrican desde 2 a 200 voltios. Fig. 30 Curva Característica del Diodo Zener Las características que diferencian a los diversos diodos Zener entre si son: Tensiones de polarización inversa, conocida como Tensión Zener.- Es la tensión que el zener va a mantener constante. Corriente mínima de funcionamiento.- Si la corriente a través del zener es menor, no hay seguridad en que el Zener mantenga constante la tensión en sus bornes Potencia máxima de disipación. Puesto que la tensión es constante, nos indica el máximo valor de la corriente que puede soportar el Zener. La máxima corriente que puede conducir un diodo Zener viene dada por la siguiente ecuación: P I Max V ZMAX Z TIPOS DE DIODOS 48

61 Por tanto el Zener es un diodo que al polarizarlo inversamente mantiene constante la tensión en sus bornes a un valor llamado tensión de Zener, pudiendo variar la corriente que lo atraviesa entre el margen de valores comprendidos entre el valor mínimo de funcionamiento y el correspondiente a la potencia de zener máxima que puede disipar. Si superamos el valor de esta corriente el zener se destruye Construcción de un diodo Zener Los diodos Zener se fabrican por procesos de aleación o proceso de difusión según sean las características que se deseen obtener. De modo general, podemos decir que los diodos con tensiones de rupturas inferiores a 9V, presentan mejores características cuando se fabrican por aleación, mientras que cuando las tensiones de rupturas son superiores a los 12V se fabrican por difusión, pero para las tensiones entre 9V y 12V el proceso de fabricación depende de otros factores. Proceso de Fabricación por Aleación. Este método consiste en calentar a una temperatura de 650 C aproximadamente, una pequeña pastilla de cristal de silicio tipo N, a la que se le coloca encima una minúscula cantidad de material tipo P. Al calentarlos se produce la aleación entre ambos materiales en una zona de forma circular. Proceso de Fabricación por Difusión Este tipo de diodos se obtienen depositando en una delgada lamina de cristal de silicio, boro por una cara (para la formación del materia tipo P) y por la otra vapor de fósforo (para la formación del materia tipo N) el conjunto se introduce en un horno a una temperatura superior a 1200ºC el calor provocara que en el cristal de silicio penetre el fósforo por un lado y el boro por el otro, difundiéndose ambos materiales en el cristal de silicio. TIPOS DE DIODOS 49

62 El tipo de encapsulado es igual que el de los diodos rectificadores. Aunque no se comportan como ellos, es por eso que en simbología electrónica la forma de representarlos es también diferente. Ver figura 31 Los modelos del diodo Zener se forman a partir de cualquiera de los modelos del diodo de propósito general añadiendo una zona de operación, la de conducción inversa. La expresión en polarización directa permanece sin cambios, pero en le zona inversa hay que introducir una modificación en la conducción, que queda de la siguiente forma: Fig. 31 Aspecto Físico y Simbología del Diodo Zener Modelo Ideal: V Z V D 0 No hay circulación de corriente Los otros Modelos: V Z V D V γ No hay circulación de corriente 1 ER Aproximación TIPOS DE DIODOS 50

63 Bajo esta aproximación el diodo se sustituye por una batería o fuente de tensión de valor igual a tensión zener V Z. Esto solo es válido entre I Zmín y I Zmáx. Ver Figura 32 2 DO Aproximación En esta segunda aproximación se sustituye al diodo por una batería de valor igual a la tensión zener en serie con una resistencia, siendo está el inverso de la pendiente de la curva característica en sentido inverso. Igualmente esto solo es válido entre I Zmín y I Zmáx, I V V Z D V VZ. Ver figura 33. RZ Fig. 32 Curva Característica del diodo zener para la primera aproximación Fig. 33 Curva Característica del diodo zener para la segunda aproximación TIPOS DE DIODOS 51

64 El modelo más utilizado del diodo zener es el que supone que las resistencias del diodo tanto en directo como en inverso son muy pequeñas y se desprecia dicho valor, quedando: I I D V Z D 0 V V V V I 0 V V Z D Código De Identificación Del Zener Existen tres tipos de identificación de los diodos zener. El más moderno consiste en tres letras seguidas de un número de serie y el valor que hace referencia a la tensión zener. 1. Es un B, indicativa de que se trata de un elemento semiconductor de silicio 2. Es una Z, indica que se trata de un diodo zener 3. Es una X o Z indica que se trata de aplicaciones profesionales Después ira el número de serie indicado por el fabricante y la tensión zener, utilizando la V como coma decimal. Por ejemplo: BZX-79-5V1 En ocasiones se le añade una letra más que nos indicara la tolerancia de la tensión zener, según el siguiente código: A---- 1% B---- 2% C---- 5% D----10% TIPOS DE DIODOS 52

65 E----15% Otro código es el que utiliza También tres letras y el número de serie del fabricante, siendo: 1. Es un O, indicativa de que se trata de un elemento semiconductor. 2. Es AZ, indica que se trata de un diodo zener 3. El numero de serie del fabricante. Y por ultimo el código americano, que al igual que los diodos rectificadores seria: 1N seguido por un número de serie Aplicaciones Regulador de tensión. Tensión de referencia. Circuito Limitador Especificaciones del fabricante En el caso de los diodos zener por lo general aparecen los siguientes parámetros en las hojas de especificaciones. Tipo de dispositivo con el número genérico o con los números del fabricante. Tensión zener nominal (tensión de temperatura por avalancha). Tolerancia de tensión. Máxima disipación de potencia (a 25 C). Corriente de prueba, Izt. Impedancia dinámica a Izt. Corriente de vértice. Máxima temperatura en la unión. Coeficiente de temperatura. TIPOS DE DIODOS 53

66 Curvas de degradación para altas temperaturas. 2. Diodo Led Y Fotodiodo 2.1 Diodo LED Ciertos tipos de diodos son capaces de cambiar la fuente de energía eléctrica en fuente de energía lumínica. El diodo emisor de luz (LED, Light emitting diode) transforma la corriente eléctrica en luz. Es útil para diversas formas de despliegues, y a veces se puede utilizar como fuente de luz para aplicaciones de comunicaciones por fibra óptica. Los diodos emisores de luz, se fabrican con materiales semiconductores de formulación especial [Arseniuro de Galio (GaAs), Fosfato de Galio (GaP)] que emiten fotones de luz visible o infrarroja cuando conducen en polarización directa. En polarización inversa se comportan como un diodo de propósito general, aunque se diferencian en que su tensión umbral de conducción es de 1,5V a 2,2V aproximadamente y la gama de corrientes que debe circular por él está entre los 10 y 20 miliamperios (ma) en los diodos de color rojo y de entre los 20 y 40 miliamperios (ma) para los otros LEDs. Pero como resulta difícil distinguir, por pura inspección visual, el modelo del LED así como el fabricante: los valores máximos de tensión y corriente que puede soportar y que suministra el fabricante serán por lo general desconocidos. Por esto, cuando se utilice un diodo LED en un circuito, se recomienda que la intensidad que lo atraviese no supere los 20 ma, precaución de carácter general que resulta muy válida. Los LED, se pueden obtener en el mercado en diferentes colores: Rojo, Verde, Naranja, Amarillo, Infrarrojo, Bicolor etc. Y ala intensidad de la luz tiene dependencia lineal con la corriente de excitación. Estos dispositivos emisores de luz, vienen constituidos para diferentes corrientes de excitación, corrientes muy altas TIPOS DE DIODOS 54

67 disminuirán la vida útil de LED, por ello, es importante colocar en serie con el diodo una resistencia de protección para que limite la corriente que circula por el LED. Dependiendo del material de que está hecho el LED, será la emisión de la longitud de onda y por ende el color. Fig. 34 Símbolo y Aspecto físico del Diodo LED Para identificar los terminales del diodo LED observaremos como el cátodo será el terminal más corto, siendo el más largo el ánodo. Además en el encapsulado, normalmente de plástico, se observa un chaflán en el lado en el que se encuentra el cátodo. Se utiliza ampliamente en aplicaciones visuales, como indicadoras de cierta situación específica de funcionamiento. Ejemplos - Se utilizan para desplegar contadores. - Para indicar la polaridad de una fuente de alimentación de corriente directa. - Para indicar la actividad de una fuente de alimentación de corriente alterna. - En dispositivos de alarma. TIPOS DE DIODOS 55

68 Sus desventajas son que su potencia de iluminación es tan baja, que su luz es invisible bajo una fuente de luz brillante y que su ángulo de visibilidad está entre los 30 y 60. Este último problema se corrige con cubiertas difusores de luz Fotodiodo Un fotodiodo realiza la función inversa al LED. Esto es, transforma la fuente de energía lumínica en corriente eléctrica. Cuando el fotodiodo es polarizado en sentido directo, ofrece un comportamiento similar al de un diodo de propósito general pero cuando se ilumina una unión PN polarizada inversamente se produce un aumento de la corriente inversa que es proporcional a la intensidad de luz aplicada. Este fenómeno se da porque los fotones de luz generan nuevos pares electrón-hueco en las dos zonas, de forma que los portadores minoritarios puedan atravesar la unión por la acción del potencial inverso, contribuyendo aun aumento apreciable de la corriente inversa, a ese flujo de corriente, se denomina " fotocorriente " en el circuito externo, que es proporcional a la intensidad de luz efectiva en el dispositivo. Este se comporta como generador de corriente constante mientras la tensión no exceda la tensión de avalancha. El fotodiodo exhibe un pico de respuesta en una longitud de onda radiante determinada. Para esta longitud de onda, se produce la máxima cantidad de pares huecos-electrón en la proximidad de la unión. El máximo de la curva de respuesta espectral de un fotodiodo típico se halla en 850 nm, aproximadamente. La totalidad de los detectores de luz comunes consisten en una unión a fotodiodo y un amplificador. En la mayoría de dispositivos comerciales, la corriente del fotodiodo se halla en el margen comprendido entre el submicroamperio y las decenas de microamperios, pudiendo añadirse a la pastilla un amplificador por un coste mínimo. TIPOS DE DIODOS 56

69 Fig. 35 Simbología y Aspectos físicos de un Fotodiodo Fig. 36 Curva característica / V de un fotodiodo para diferentes intensidades luminosas Composición El material empleado en la composición de un fotodiodo es un factor crítico para definir sus propiedades. Suelen estar compuestos de silicio, sensible a la luz visible (longitud de onda de hasta 1µm); germanio para luz infrarroja (longitud de onda hasta aprox. 1,8 µm ); o de cualquier otro material semiconductor. También es posible la fabricación de fotodiodos para su uso en el campo de los infrarrojos medios (longitud de onda entre 5 y 20 µm), pero estos requieren refrigeración por nitrógeno líquido. TIPOS DE DIODOS 57

70 Antiguamente se fabricaban exposímetros con un fotodiodo de selenio de una superficie amplia. Tabla de los semiconductores y su longitud de onda 3. DIODO DE BARRERA O SCHOTTKY El diodo Schottky llamado así en honor del físico alemán Walter H. Schottky, también denominado diodo pnpn o diodo de barrera, ya que se forma una barrera a través de la unión debido al movimiento de los electrones del semiconductor a la interfaz metálica, es un dispositivo semiconductor que proporciona conmutaciones muy rápidas entre los estados de conducción directa e inversa (menos de 1ns en dispositivos pequeños de 5 mm de diámetro) y muy bajas tensiones umbral. Su característica de tensión corriente es muy similar a la del diodo de unión PN de silicio excepto porque la tensión en directo, V γ, es 0.3 V en vez de 0.7 V, la capacitancia asociada con el diodo es pequeña. A frecuencias bajas un diodo normal puede conmutar fácilmente cuando la polarización cambia de directa a inversa, pero a medida que aumenta la frecuencia el tiempo de conmutación puede llegar a ser muy alto, poniendo en peligro el dispositivo. El diodo Schottky está constituido por una unión metal-semiconductor (barrera Schottky), ligeramente dopada con un metal como el aluminio o platino, en lugar de la unión convencional semiconductor-semiconductor utilizada por los diodos normales. Es por ello que se dice que el diodo Schottky es un dispositivo semiconductor "portador mayoritario". Esto significa que, si el cuerpo semiconductor está dopado con impurezas tipo N, solamente los portadores tipo N (electrones TIPOS DE DIODOS 58

71 móviles) jugaran un papel significativo en la operación del diodo y no se realizará la recombinación aleatoria y lenta de portadores tipo N y P que tiene lugar en los diodos rectificadores normales, con lo que la operación del dispositivo será mucho más rápida. La alta velocidad de conmutación permite rectificar señales de muy altas frecuencias y eliminar excesos de corriente en circuitos de alta intensidad. La limitación más evidente del diodo de Schottky es la dificultad de conseguir resistencias inversas relativamente elevadas cuando se trabaja con altos voltajes inversos pero el diodo Schottky encuentra una gran variedad de aplicaciones en circuitos de alta velocidad para computadoras donde se necesiten grandes velocidades de conmutación y mediante su poca caída de voltaje en directo permite poco gasto de energía, otra utilización del diodo Schottky es en variadores de alta gama para que la corriente que vuelve desde el motor al variador no pase por el transistor del freno y este no pierda sus facultades. Fig. 37 Simbología y Curva Característica del Diodo Schottky 4. Diodo Pin El fotodiodo PIN es el detector más importante utilizado en los sistemas de comunicación óptica. Es relativamente fácil de fabricar, altamente fiable, tiene bajo TIPOS DE DIODOS 59

72 ruido y es compatible con circuitos amplificadores de baja tensión. Además, es sensible a un gran ancho de banda debido a que no tiene mecanismo de ganancia. Es un diodo que presenta una región P y una región N también fuertemente dopada, separadas por una región de material que es casi intrínseco. Este tipo de diodos se utiliza en frecuencias de microondas, es decir, frecuencias que exceden de 1 GHz, puesto que incluso en estas frecuencias el diodo tiene una impedancia muy alta cuando está inversamente polarizado y muy baja cuando esta polarizado en sentido directo. Además, las tensiones de ruptura están comprendidas en el margen de 100 a 1000 V. En virtud de las características del diodo PIN se le puede utilizar como interruptor o como modulador de amplitud en frecuencias de microondas ya que para todos los propósitos se le puede presentar como un cortocircuito en sentido directo y como un circuito abierto en sentido inverso. También se le puede utilizar para conmutar corrientes muy intensas y/o tensiones muy grandes. Los diodos Pin hacen básicamente cambiar su resistencia en RF en función de las condiciones de polarización. Por ello, pueden actuar: 1. Como conmutador de RF 2. Como resistencia variable 3. Como protector de sobretensiones 4. Como fotodetector El diodo se forma partiendo de silicio tipo P de alta resistividad. La capa P de baja resistividad representada, está esta formada por difusión de átomos de boro en un bloque de silicio tipo P y la capa N muy delgada está formada difundiendo grandes cantidades de fósforo. La región intrínseca es realmente una región P de alta resistividad y se suele denominar región p. Cuando el circuito está abierto, los electrones fluyen desde la región (p) hasta la región P para recombinarse con los huecos en exceso, y los huecos fluyen desde la región para recombinarse con los electrones de la región N. Si el material (p) fuese verdaderamente intrínseco, la TIPOS DE DIODOS 60

73 caída de tensión en la región sería nula, puesto que la emigración de huecos sería igual a la emigración de electrones. Si embargo, como el material es en verdad p (P de alta resistividad), hay mas huecos disponibles que electrones. Cuando se aplica una polarización inversa al diodo los electrones y los huecos del material p son barridos (swept free). Un posterior aumento de la tensión inversa simplemente incrementa las distribuciones de tensiones P- e -N. En el diodo PIN la longitud de la región de transición L es aproximadamente igual a la región y aproximadamente independiente de la tensión inversa. Por lo tanto, a diferencia de los diodos PN o Schottky, el diodo PIN tiene una capacidad inversa que es aproximadamente constante, independiente de la polarización. Una variación típica de la capacidad podría ser desde 0,15 hasta 0,14 pf en una variación de la polarización inversa de, por ejemplo, 100 V. En virtud de que es igual a la longitud de la región, la longitud de la región de transición es aproximadamente constante y considerablemente mayor que la de otros diodos y, por lo tanto, la capacidad CR, que es proporcional a 1/L es significativamente menor que la de otros diodos, por lo que el diodo PIN es apropiado para aplicaciones de microondas. Los valores normales de CR varían desde 0,1 pf hasta 4 pf en los diodos PIN, comercialmente asequibles. Cuando el diodo está polarizado en sentido directo, los huecos del material P se difunden el la región p, creando una capa P de baja resistividad. La corriente es debida al flujo de los electrones y de los huecos cuyas concentraciones son aproximadamente iguales en la región. En la condición de polarización directa la caída de tensión en la región es muy pequeña. Además, al igual que el diodo PN, cuando aumenta la corriente, también disminuye la resistencia. En consecuencia el diodo PIN es un dispositivo con su resistencia o conductancia modulada. En una primera aproximación, la resistencia r d en pequeña señal es inversamente proporcional a la corriente I DQ con polarización directa, lo mismo que en el diodo PN. En frecuencias de microondas se representa de maneras más sencillas por una capacidad CR en serie con la resistencia directa rd. Con tensiones directas, CR es TIPOS DE DIODOS 61

74 aproximadamente infinita, mientras que en polarización inversa, rd es aproximadamente nula. La capacidad CT es la capacidad parásita paralelo que se produce soldando el diodo a la cápsula y L es la inductancia serie debida a los hilos de conexión desde el diodo hasta la cápsula. Fig.38 Circuito equivalente del diodo PIN en la región Directa e Inversa Fig. 39 Simbología del Diodo PIN 5. Diodo Varactor O Varicap TIPOS DE DIODOS 62

75 Los diodos varactores [llamados también varicap (diodo con capacitancia-voltaje variable) o sintonizadores] son semiconductores dependientes del voltaje, capacitores variables. Su modo de operación depende de la capacitancia que existe en la unión P- N cuando el elemento está polarizado inversamente. En condiciones de polarización inversa, se estableció que hay una región sin carga en cualquiera de los lados de la unión que en conjunto forman la región de agotamiento y definen su ancho W d. La capacitancia de transición (C T ) establecida por la región sin carga se determina mediante: C T = E (A/W d ) Donde E es la permitibilidad de los materiales semiconductores, A es el área de la unión P-N y W d el ancho de la región de agotamiento. Conforme aumenta el potencial de polarización inversa, se incrementa el ancho de la región de agotamiento, lo que a su vez reduce la capacitancia de transición. El pico inicial declina en C T con el aumento de la polarización inversa. El intervalo normal de V R para diodos varicap se limita aproximadamente 20V. En términos de la polarización inversa aplicada, la capacitancia de transición se determina en forma aproximada mediante: C T = K / (V T + V R )n donde: K = constante determinada por el material semiconductor y la técnica de construcción. V T = potencial en la curva según se definió en la sección V R = magnitud del potencial de polarización inversa aplicado n = 1/2 para uniones de aleación y 1/3 para uniones de difusión TIPOS DE DIODOS 63

76 Fig.40 Simbología del Diodo Varicap y Circuito equivalente Fig. 41 Curva de Variación de la capacitancia vs Tensión Inversa aplicada Los valores de capacidad obtenidos van desde 1 a 500 pf. La tensión inversa mínima tiene que ser de 1 V. La aplicación de estos diodos se encuentra, sobre todo, en la sintonía de TV, modulación de frecuencia en transmisiones de FM y radio. Ventajas y desventajas El varicap tiene, entre otras, las siguientes ventajas: Menor tamaño que los capacitores variables mecánicos. Posibilidad de sintonía remota. La principal desventaja del varicap es la dependencia de algunos de sus parámetros de la temperatura y por lo tanto requiere esquemas de compensación. TIPOS DE DIODOS 64

77 6. Diodo Tunel El físico japonés Esaki, descubrió que los diodos semiconductores obtenidos con un grado de contaminación del material básico mucho más elevado que lo habitual exhiben una característica tensión-corriente muy particular. La corriente comienza por aumentar de modo casi proporcional a la tensión aplicada hasta alcanzar un valor máximo, denominado corriente de cresta. A partir de este punto, si se sigue aumentando la tensión aplicada, la corriente comienza a disminuir y lo siga haciendo hasta alcanzar un mínimo, llamado corriente de valle, desde el cual de nuevo aumenta. El nuevo crecimiento de la corriente es al principio lento, pero luego se hace cada vez más rápido hasta llegar a destruir el diodo si no se lo limita de alguna manera. Este comportamiento particular de los diodos muy contaminados se debe a lo que los físicos denominan efecto túnel, para las aplicaciones prácticas del diodo túnel, la parte mas interesante de su curva característica (ver figura 42) es la comprendida entre la cresta y el valle. En esta parte de la curva a un aumento de la tensión aplicada corresponde una disminución de la corriente; en otros términos, la relación entre un incremento de la tensión y el incremento resultante de la corriente es negativa y se dice entonces que esta parte de la curva representa una "resistencia incremental negativa". Una resistencia negativa puede compensar total o parcialmente una resistencia positiva. Así, por ejemplo, las pérdidas que se producen en un circuito resonante a causa de la presencia siempre inevitable de cierta resistencia en el, se compensa asociando al circuito una resistencia negativa de valor numérico conveniente y realizada por ejemplo, mediante un diodo túnel. En tal caso el circuito oscilante se transforma en un oscilador. TIPOS DE DIODOS 65

78 Fig. 42 Curva Característica del Diodo túnel Cuando el voltaje de polarización directa se encuentra entre 0,1V y 0,5V, la corriente empieza a reducirse con el aumento del voltaje, llevando a una característica de corriente- voltaje en forma de S, la región central de esta curva se llama la región de resistencia negativa, el voltaje mínimo a la derecha de esta región se denomina tensión de valle (V V ); la corriente en este punto se llama corriente de valle ( V ), y la corriente máxima que fluye a bajos voltajes se llama corriente de pico ( P ) y la tensión en ese punto es el voltaje de pico (V P ). El diodo túnel es útil en aplicaciones de alta velocidad. Conforme aumenta la polarización directa, la corriente aumenta con rapidez hasta que se produce la ruptura, entonces la corriente cae rápidamente. Este a su vez es muy útil debido a esta cesión de resistencia negativa la cual se desarrolla de manera característica en el intervalo de 50mV a 250mv. TIPOS DE DIODOS 66

79 Fig. 43 Circuito equivalente y simbología del Diodo Túnel 7. Diodo De Contacto Puntual. El rectificador de contacto puntual consiste en un semiconductor sobre el que descansa la punta de un alambre delgado. La curva de corriente versus voltaje es cualitativamente similar a la del diodo de unión. Sin embargo, para un voltaje positivo dado, el diodo de contacto puntual conduce algo más de corriente. Más aún, conforme el voltaje negativo aumenta, la corriente inversa tiende a aumentar más bien que permanecer aproximadamente constante. La marca inflexión en la curva del diodo de unión en -V» no ocurre en los diodos de contacto puntual, dado que el calentamiento de tal punto ocurre a voltajes mucho mas bajos y produce un aumento gradual de la conductancia en la dirección negativa. TIPOS DE DIODOS 67

80 CAPÍTULO IV APLICACIONES DE LOS DIODOS APLIACIONES DE LOS DIODOS

81 CAPÍTULO IV APLICACIONES DE LOS DIODOS El diodo es un elemento semiconductor formado por la unión de dos pastillas semiconductoras, una de tipo P (ánodo) y otra de tipo N (cátodo). Cuando la tensión en el ánodo es más positiva (o menos negativa) que la del cátodo, superándola en al menos 0,6 voltios en diodos de silicio y de 0,3 voltios en los de germanio, el diodo se encuentra polarizado directamente. En esta disposición conducirá el diodo y se comportará prácticamente como un cortocircuito (en su modelo ideal). Si la tensión en el ánodo es menor que la correspondiente al cátodo, el diodo estará polarizado inversamente y no conducirá, siendo equivalente a un circuito abierto (en su modelo ideal). 1.- Rectificador Concepto Los rectificadores se usan para transformar una señal alterna en una señal continua. Se usan por lo tanto en todos los circuitos electrónicos, salvo los que van alimentados por baterías. Cualquier dispositivo que permita circular la corriente en un solo sentido podemos decir que es un rectificador. Y éste es el caso de los diodos, pues únicamente cuando el ánodo esté a una tensión más positiva que el cátodo dejará pasar la corriente a través de él, con el sentido convencional de ánodo a cátodo Rectificador de Media onda Un circuito rectificador de media onda sólo rectifica la mitad de la tensión alterna presente en su entrada; es decir, cuando el ánodo tenga una tensión sea mas positivo APLICACIONES DEL DIODOS 69

82 Tensión de Salida Vo (V) Tensión de Entrada Vi (V) FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA respecto a la tensión en el cátodo. Puede considerarse como un circuito en el que la unidad rectificadora está en serie con la tensión de entrada y la carga. Ver figura 44. T1 + Vi D1 RL + Vo SEÑAL DE ENTRADA Tiempo (S) Fig. 44 Circuito Rectificador de Media Onda En el circuito de la figura 44, cuando llega el semiciclo positivo de señal presente en el secundario del transformador al ánodo del diodo, éste queda polarizado directamente y consecuentemente conducirá; la tensión en la salida V o vista en los terminales de la resistencia será V o = V m -0,7 V, siendo V m la amplitud de la señal de entrada. Cuando llegue el semiciclo negativo del secundario al ánodo del diodo, éste quedará polarizado inversamente y no conducirá, siendo V o muy próxima a cero ya que siempre circulará una pequeñísima corriente inversa. SEÑAL DE SALIDA Tiempo (S) Fig. 45 Señal de Salida de un Circuito Rectificador de Media Onda APLICACIONES DEL DIODOS 70

83 Las tensiones características vendrán dadas por las siguientes ecuaciones: Valor Eficaz de la tensión de Salida RMS V o V m 0,7V V Valor Medio o Tensión de corriente continúa V m 0, 7V omed Aplicaciones. Se emplean como alimentación de muchos sistemas de baja tensión y de aparatos universales, así como para proporcionar alta tensión a los osciloscopios Rectificador de Onda Completa o Doble onda El rectificador de doble onda, también denominado onda completa, está formado por dos rectificadores de media onda que funciona durante alternancias opuestas de la tensión de entrada. Tipos: Con Transformador de Toma Central Puente Con Transformador de Toma Central El secundario del transformador tiene en su punto intermedio una toma conectada a tierra, obteniéndose así dos tensiones iguales y desfasadas 180 grados que se aplican alternativamente a los ánodos de cada diodo. Cuando llega el semiciclo positivo a un diodo, al otro le llega el semiciclo negativo, con lo cual uno conduce y el otro no, y viceversa. Consecuentemente siempre habrá un diodo conduciendo, obteniéndose en la salida únicamente semiciclos positivos. En este circuito tenemos: APLICACIONES DEL DIODOS 71

84 Fig. 46 Circuito Rectificador Doble Onda con Transformador de Toma Central Fig. 47 Señal de Entrada al Circuito Rectificador Doble Onda con Transformador de Toma Central (V m - Vo Fig. 48 Señal de Salida del Circuito Rectificador Doble Onda con Transformador de Toma Central APLICACIONES DEL DIODOS 72

85 Fig. 49 Señal presente en los Diodos D1 y D2 Valor Eficaz de la tensión de Salida RMS V o V m 0,7V 2 Valor Medio o Tensión de corriente Continua V omed 2(V m 0,7V ) Aplicaciones. Se usan en sistemas de todos los equipos de comunicación, teniendo un gran rendimiento y posibilidad de proporcionar una gran gama de tensiones con corrientes moderadas. Se utilizan mucho para la carga de baterías porque así se evita el peligro de la saturación del núcleo del transformador. Tipo Puente Son cuatro rectificadores de media onda conectados en la forma indicada en el circuito. Fig. 50 Circuito Rectificador Onda Completa Tipo Puente APLICACIONES DEL DIODOS 73

86 La tensión alterna se aplica entre las uniones de un ánodo y un cátodo de dos diodos, obteniéndose la salida en el punto de unión de dos cátodos (polo positivo) y de dos ánodos (polo negativo). Durante el semiciclo positivo de la señal de entrada conducen dos diodos, cerrándose el circuito de circulación de la corriente por la resistencia de carga; durante el semiciclo negativo conducirán los otros dos diodos, cerrándose el circuito también por la resistencia de carga. Así se obtiene en la salida únicamente semiciclos positivos tal como ocurría en el circuito rectificador de doble onda anterior. Fig. 51 Circuito Rectificador Onda Completa Tipo Puente En este rectificador las fórmulas y el tipo de aplicaciones son las mismas que en el anterior, aunque debemos tener en cuenta que la tensión de salida será 0,7 voltios APLICACIONES DEL DIODOS 74

87 inferior pues al haber dos diodos conduciendo la caída de tensión será ahora de 0,7+0,7=1,4. Sin embargo, la ventaja que presenta es que el transformador no necesita toma intermedia y que la tensión inversa se reparte entre dos diodos en cada semiciclo, no sobre uno sólo como en el circuito anterior. Valor Eficaz de la tensión de Salida RMS V o V m 1,4V 2(V Valor Medio o Tensión de corriente continúa V m 1,4)V odc Factor de Forma F y Índice de Ondulación (Factor de Rizo) Factor de Forma F f El factor de forma de una rectificación es la relación que existe entre el valor eficaz total de la magnitud ondulada y su valor medio F f V V rms odc 1 T 1 T T 0 T 0 V 2 m V m Sen 2 wtdt Senwtdt Cuanto mas se acerca a la unidad el factor de forma, mejor será la rectificación obtenida Índice de Ondulación o Factor de Rizo F r El índice de modulación es igual al cociente entre el valor eficaz de la ondulación exclusivamente y su valor medio. F r F f 2 1 APLICACIONES DEL DIODOS 75

88 3.-Comparación Entre los Diferentes Rectificadores El rectificador de media onda tiene un índice de ondulación igual a 1,21. Este resultado indica que la tensión eficaz de ondulación es mayor que la tensión promedio de salida y este tipo de rectificador es un circuito relativamente malo para convertir corriente alterna en continua. El rendimiento que se obtiene con este tipo de rectificador era realmente bajo, ya que medio período de la corriente quedaba completamente inútil. El otro tipo de rectificador doble onda, no presenta este problema. Sin embargo este rectificador plantea otro problema, ahora en los diodos. La tensión inversa que debe soportar los diodos es el doble de la tensión rectificada. Debemos también tener para este tipo de rectificador un transformador con toma central en el secundario. El rectificador tipo puente soluciona estos problemas. Las desventajas del rectificador tipo puente son las siguientes: Necesidad de utilizar dos diodos por fase (el doble de diodos que el rectificador con toma central) y necesidad que estos diodos posean una resistencia directa pequeña. Las Ventajas son: La tensión inversa que debe soportar cada diodo es la mitad que en el caso con transformador con toma central. El transformador no necesita toma central. En conclusión se utiliza siempre un rectificador de onda Completa que tiene un índice de ondulación más interesante que el media onda. El rectificador tipo puente es el que se utiliza con más frecuencia. La corriente rectificada en cada tipo tiene una componente alterna muy importante. Debemos separar esta componente de la corriente, es decir filtrarla. APLICACIONES DEL DIODOS 76

89 4.-Filtraje. La salida de cualquiera de los rectificadores anteriormente expuestos debe ser modificada para que se aproxime lo más posible a una tensión continua pura. Para ello se utiliza un filtro (tipo paso bajo) para así aplanar los impulsos rectificados Filtraje con condensador Con frecuencia el filtraje se efectúa colocando un condensador en paralelo con la carga. El funcionamiento de este sistema se basa en que el condensador almacena energía durante el período de conducción y entrega esta energía a la carga durante el período inverso, o de no conducción. De esta forma, se prolonga el tiempo durante el cual circula corriente por la carga, y se disminuye notablemente el rizado. Rectificador de media onda con filtro capacitivo El condensador en los filtros paso bajo va en paralelo con el rectificador y la carga. Su capacidad debe ser grande para que la reactancia que presente sea mucho menor que la resistencia de la carga. Fig. 52 Circuito Rectificador de Media Onda con Filtro Capacitivo En el semiciclo positivo de la señal de entrada el diodo conduce, cerrándose así el circuito y haciendo que el condensador se cargue a una tensión muy próxima a la tensión de pico de salida del secundario del transformador. Debe elegirse con gran cuidado el diodo y el condensador para evitar que cuando el condensador se APLICACIONES DEL DIODOS 77

90 encuentre totalmente descargado, el primer pico de corriente sea excesivamente grande y dañe al diodo. Durante el semiciclo negativo de la señal de entrada (V s ) el diodo no conduce, comportándose prácticamente como un circuito abierto. El condensador se descargará sobre la resistencia hasta que empiece un nuevo semiciclo positivo en el secundario del transformador, volviendo a cargarse el condensador en cuanto la tensión de entrada supere a la que conserva entre sus extremos el condensador. Fig. 53 Señal de Salida de tensión (V O ) y Corriente i d Circuito Rectificador Media Onda con Filtro Capacitivo. En ese momento el condensador volverá a recuperar la carga perdida hasta alcanzar el valor de pico de la tensión de entrada, y así sucesivamente se vuelve a repetir el suceso. La magnitud del segundo pico de corriente, y los sucesivos, son bastante inferiores al primero y dependerán de la carga que aun conserve el condensador y también de la capacidad del mismo. Podemos observar en el osciloscopio que ya no existe vacío en la señal entregada por el rectificador sin filtro, resultando así la señal más plana. Aumentando la capacidad del condensador, la inclinación de la descarga sería menor y con ello disminuiría el APLICACIONES DEL DIODOS 78

91 factor de rizado; sin embargo, tal capacidad no puede aumentarse en exceso porque el impulso de corriente que se produciría en el instante de inicio de la carga alcanzaría una intensidad capaz de dañar al diodo. La constante de tiempo del condensador y la resistencia de carga debe ser grande comparada con el período de la señal de entrada: R L C>>>T. Filtro a condensador en el rectificador de doble onda En este caso, el efecto producido por el condensador es el mismo, pero el tiempo de descarga se reduce a la mitad y consecuentemente la magnitud de los impulsos de corriente disminuye. Fig. 54 Circuito Rectificador Onda Completa con Filtro Capacitivo La tensión de salida del circuito y la corriente serán idénticas a las obtenidas en el rectificador de media onda; ahora bien, al ser el doble la frecuencia de los semiciclos que llegan al condensador, la tensión de rizado será menor y se obtendrá una tensión más constante. APLICACIONES DEL DIODOS 79

92 Fig. 55 Señal de Salida Circuito Rectificador Onda Completa con Filtro Capacitivo En la figura 55 podemos ver las distintas tensiones y tiempos que se emplearán en el análisis del calculo del factor de rizado. Hay que tener en cuenta que, como se supone un rizado bajo, la señal que se considera de salida es una onda en diente de sierra si la constante de tiempo R L C es grande frente al período de la señal, o sea R L C>>>T como la siguiente: Fig. 56 Método Gráfico para estimar el factor de rizado A partir de esta señal, deducimos que la tensión de continua a la salida viene dada como: V dc V m Vr, donde V m es la tensión de pico de la señal rectificada. Se 2 observa de dicha tensión de continua es la tensión de pico menos el valor medio del rizado, el cual en este caso sencillo coincide con V r /2. APLICACIONES DEL DIODOS 80

93 El condensador se descarga linealmente durante T/2, luego la carga perdida se puede expresar como: T I dc 2 por las ecuaciones: El rizado se puede definir como: y nos queda que la tensión de rizado y de continua vienen dadas V V dc r V Q C m I dct I dc 2C 2 fc Vr 2 V r V V rms : Valor eficaz de la componente alterna V dc : Componente continúa V rms dc m I dc 4 fc Obtenemos el valor eficaz de la componente alterna aplicando la definición, y nos queda: V rms 1 0 Vr 2 Vr 2 d V r Ahora substituimos el valor V rms obtenido en la fórmula del rizado: 0 V r 2 3 r 2 V r 3 * V dc 4 I dc 3 fcv dc fcr L De nuevo se deduce que r disminuye con f, C y RL. Filtro en PI con resistencia La particularidad de este filtro es que lleva dos condensadores de filtro, unidos por una resistencia que también podría ser una bobina. APLICACIONES DEL DIODOS 81

94 D1 R1 T1 1N4001GP C1 470uF 47ohm C2 470uF RL 330ohm D2 1N4001GP Fig. 57 Filtro en con resistencia La carga y descarga del primer condensador produce un efecto como en el rectificador de media o doble onda con filtro a condensador. La resistencia entre ambos condensadores hace que se aplane aun más la señal, llegándole al segundo condensador una corriente relativamente constante. Por último, la carga y descarga de este último condensador, debido a la componente alterna, aplana todavía más las fluctuaciones y a la carga llegará una corriente continua relativamente pura. Estos filtros no son buenos porque, debido a la caída de tensión en la resistencia, disminuirá la tensión en la salida del circuito y es muy posible que ésta sea insuficiente. Se emplean únicamente cuando la corriente demandada sea pequeña (consecuentemente la caída de tensión será despreciable en la resistencia entre condensadores). Tal es el caso dado, por ejemplo, en la alimentación de alta tensión en los tubos de rayos catódicos en los que se necesita una alta tensión con una baja corriente. 5- Doblador de Tensión Un circuito multiplicador de tensión está formado por diversos rectificadores de media onda y condensadores dispuestos especialmente para entregar una tensión múltiplo de la recibida en su entrada. APLICACIONES DEL DIODOS 82

95 En el caso de un doblador, la tensión en la salida será, en principio, el doble de la tensión máxima de la señal de entrada. Fig. 58 Circuito Doblador de Tensión Cuando el interruptor está abierto, el circuito es similar al rectificador de onda completa, con una salida de aproximadamente V m cuando los condensadores son grandes. Cuando el interruptor está cerrado, el circuito opera como un doblador de tensión. C1 se carga hasta V m a través de D1 cuando la señal del generador es positiva y C2 se carga hasta V m a través de D4 cuando la señal del generador es negativa. La tensión de salida será 2Vm. En este modo, los diodos D2 y D3 están polarizados en inversa. El circuito doblador de tensión es útil cuando se precisa utilizar el equipo en sistemas de diferentes estándares de tensión. Por ejemplo, se podría diseñar un circuito para que operase correctamente tanto en Venezuela, donde la tensión de la red es de 120 V, como en otros lugares donde la tensión de la red es de 240 V. Si seguimos disponiendo diodos y condensadores iremos haciendo que la tensión de salida sea el triple, cuádruplo, etc. de la señal alterna de entrada. 6.- Limitador De Tensión Estos circuitos se emplean cuando se quiere seleccionar parte de una onda a unos valores predeterminados. Su función se basa en el hecho de que un diodo no conduce hasta que no esta polarizado directamente. Podemos distinguir dos tipos Limitador Serie APLICACIONES DEL DIODOS 83

96 Limitador Paralelo o Limitador Positivo o Limitador negativo o Limitador Parcial o Polarizado de un nivel o Limitador Parcial Doble o Polarizado de dos niveles Limitador Serie Positivo En el la señal de salida se obtiene en serie con el diodo, son un caso particular de los rectificadores de media onda. Fig. 59 Circuito Limitador Serie APLICACIONES DEL DIODOS 84

97 Fig. 60 Señal de Entrada y Salida de un Circuito Limitador Serie Positivo El la figura 60 se puede apreciar la señal de entrada y salida del circuito anterior se observa que tiene la misma forma de onda que un circuito rectificador de media onda Limitador Serie Negativo En este el diodo entra en conducción para los valores del semiciclo negativo de la señal de entrada, y no conduce para los valores positivos de la señal de entrada. Fig. 61 Circuito Limitador Serie Negativo APLICACIONES DEL DIODOS 85

98 Fig. 62 Señal de Entrada y Salida de un Circuito Limitador Serie Negativo Limitador Paralelo En ellos la señal de salida se obtiene paralelo con el diodo, pueden ser positivos o nega tivo depe nde de la posi ción del diodo. APLICACIONES DEL DIODOS 86

99 Fig. 63 Circuito Limitador Paralelo (a) Positivo (b) Negativo Fig. 64 Señales de Salida de los Circuito Limitador Paralelo (a) Positivo (b) Negativo Limitador Parcial o Polarizado de un nivel En ellos la señal de salida se observa la unión del diodo en serie con una fuente de tensión que puede ser positiva o negativa respecto a tierra. Ejemplo a APLICACIONES DEL DIODOS 87

100 Fig. 65 Circuito Limitador Polarizado de un nivel. >>> Semiciclo positivo de la tensión de entrada: Cuando la tensión de entrada es menor que la tensión de la fuente continua, el diodo queda polarizado inversamente (circuito abierto), con lo cual la tensión de salida es igual a la tensión de entrada (V O =V S ). Cuando la tensión de entrada es mayor que la tensión de la fuente continua, el diodo queda polarizado directamente (cortocircuito), siendo ahora la tensión de salida igual al valor de la fuente mas la tensión del diodo (V O =V DC + V D = 5,7V). >>> Semiciclo negativo de la tensión de entrada: Como la tensión de entrada es menor que la tensión de la fuente continua, el diodo se encontrará polarizado inversamente (circuito abierto) y la tensión en la salida será igual a la de la entrada (V O = V S ). APLICACIONES DEL DIODOS 88

101 Fig. 66 Señal de Salida de un Circuito Limitador Polarizado de un Nivel Ejemplo b Fig. 67 Circuito Limitador Polarizado de un nivel. >>> Semiciclo positivo de la tensión de entrada: Cuando la tensión de entrada es menor que la tensión de la fuente continua, el diodo se polariza directamente (cortocircuito) y consecuentemente la tensión de salida es igual a la tensión de la fuente continua mas la tensión del diodo (V O =V DC +V D = 5,7V). APLICACIONES DEL DIODOS 89

102 Si la tensión de entrada es mayor que la de la tensión de la fuente continua, el diodo queda polarizado inversamente (circuito abierto) y consecuentemente la tensión en la salida será igual a la de la entrada (V O =V S ). >>> Semiciclo negativo de la tensión de entrada: Como la tensión de entrada es menor que la tensión de la fuente de continua, el diodo queda polarizado directamente y la tensión en la salida será igual a la tensión de la fuente continua mas la tensión del diodo (V O =V DC +V D = 5,7V). Ejemplo c Fig. 68 Señal de Salida de un Circuito Limitador Polarizado de un Nivel Fig. 69 Circuito Limitador Polarizado de un nivel. APLICACIONES DEL DIODOS 90

103 >>> Semiciclo positivo de la tensión de entrada: Como la tensión de entrada es mayor que la tensión de la fuente continua, el diodo queda polarizado inversamente y la tensión en la salida será la misma que la de la entrada (V O = V S ). >>> Semiciclo negativo de la tensión de entrada: Si la tensión en la entrada es menor que la tensión de fuente continua, el diodo se polariza inversamente y la tensión de salida será igual a la de la entrada (V O = V S ). Si la tensión de entrada es mayor que la tensión de fuente continua, el diodo queda polarizado directamente y en la salida tendremos una tensión igual a la tensión de la fuente continua mas la tensión del diodo (V O = -V DC -V D = - 5,7V). Fig. 70 Señal de Salida de un Circuito Limitador Polarizado de un Nivel APLICACIONES DEL DIODOS 91

104 Ejemplo d Fig. 71Circuito Limitador Polarizado de un Nivel >>> Semiciclo positivo de la tensión de entrada: Como la tensión de entrada es mayor que la tensión de la fuente continua, el diodo queda polarizado directamente y la tensión en la salida será igual a la tensión de la fuente continua menos la tensión del diodo (V O = -V DC +V D = - 4,3V). >>> Semiciclo negativo de la tensión de entrada: Si la tensión de entrada es menor que la tensión de la fuente continua, el diodo queda polarizado directamente y la tensión en la salida será igual a la tensión de la fuente continua menos la tensión del diodo (V O = -V DC +V D = - 4,3V). Cuando la tensión de entrada sea mayor que la tensión de la fuente, el diodo será polarizado de forma inversa y en la salida tendremos la tensión de la entrada (V O =V S ). APLICACIONES DEL DIODOS 92

105 Fig. 72 Señal de Salida de un Circuito Limitador Polarizado de un Nivel Limitador Polarizado de Dos Niveles Ejemplo e Fig. 73 Circuito Limitador Polarizado de dos Niveles >>> Semiciclo positivo de la tensión de entrada: Mientras que la tensión de entrada sea menor que la tensión de las fuentes de tensión continuas, los diodos quedan polarizados inversamente y la tensión de salida es igual a la tensión de entrada (V O = V S ). Cuando la tensión de entrada sea mayor que la tensión de la fuente continua 2, el diodo 1 continua polarizado inversamente y el diodo 2 se polariza en forma directa generando una tensión en la salida igual a la suma del valor de la fuente continua 2 mas la tensión del diodo (V O =V DC2 + V D2 = 5,7V). APLICACIONES DEL DIODOS 93

106 >>> Semiciclo negativo de la tensión de entrada: Al igual que en el semiciclo positivo mientras que la tensión de entrada sea menor que la tensión de las fuentes de tensión continuas, los diodos quedan polarizados inversamente y la tensión de salida es igual a la tensión de entrada (V O = V S ) En el momento en que la tensión de entrada sea mayor que la tensión de la fuente continua 1, el diodo 1 queda polarizado directamente y el diodo 2 inversamente; obteniéndose a la salida una la tensión igual a igual a la suma del valor de la fuente continua 1 mas la tensión del diodo (V O = -V DC1 - V D1 = -5,7V). Fig. 74 Señal de Salida de un Circuito Limitador Polarizado de Dos Niveles APLICACIONES DEL DIODOS 94

107 Ejemplo f Fig. 75 Circuito Limitador Polarizado de dos Niveles Con Diodos Zener >>> Semiciclo positivo de la tensión de entrada: Mientras que la tensión de entrada esa menor que la tensión en inverso del Zener este no conducirá y se comporta como un circuito abierto, y la tensión en la salida será la misma de la entrada (V O =V S ). Cuando la tensión de entrada es mayor que la tensión en inverso del zener 2, este queda polarizado en inverso y el Zener 1 en Directo obteniéndose a la salida V O una tensión igual a la tensión de zener en inverso del diodo 2 mas la tensión en directo del Diodo 1 (V O = V Z2 + V D1 = 5,8V). >>> Semiciclo negativo de la tensión de entrada: En este semiciclo ocurre algo similar que en el semiciclo positivo pero el diodo 1 queda polarizado en inverso y el diodo 2 en directo cuando la tensión entrada es mayor que la tensión en inverso del diodo Zener 1, generando una tensión de salida igual a igual a la tensión de zener en inverso del diodo 1 más la tensión en directo del Diodo 2 (V O = -V Z1 - V D2 = - 5,8V). APLICACIONES DEL DIODOS 95

108 Fig. 76 Señal de Salida de un Circuito Limitador Polarizado de Dos Niveles con diodos Zener 7.- Diodo zener como Regulador de Tensión Corriente máxima y corriente mínima Sea el siguiente montaje, donde el diodo zener es utilizado como regulador de voltaje. Fig. 77 Circuito Regulador de Tensión La tensión de entrada varía entre E mínima = E m y E máxima = E M o E m < E < E M. La corriente máxima corresponde al estado de utilización en circuito abierto ( L = S =0) y con E M, es decir, I M E M V R S Z APLICACIONES DEL DIODOS 96

109 La corriente en el zener no debe ser menor que Zmín (Corriente mínima para la cual la tensión del diodo es todavía igual a V Z ). En el caso de la salida abierta ( S = L =0) la corriente mínima que atraviesa el zener es: I E V m Z m Como R m > Zmín S Para el buen funcionamiento del regulador, la corriente de entrada que varía entre m e M debe estar comprendida en el intervalo Zmín e Zmáx del diodo zener. Si los valores límites E m y E M de la tensión de entrada se conocen, y también las características del diodo zener, se puede calcular la resistencia R S. Cálculo de R S (valor mínimo y valor máximo). Fig. 78 Curva Característica del Diodo Zener APLICACIONES DEL DIODOS 97

110 La pendiente de la curva característica, nos permite calcular la resistencia del diodo zener. Esta relación puede escribirse: V Z r d V V I Z Z r V I Z min Z min I I Z min d ( Z Z min) Y la parte lineal de la curva puede como V Z = V ZO + r d * Z donde V Z, Z es un punto sobre la curva, esta ecuación es válida si Z - Zmín > 0; no existe regulación si Zmín > Z. Por otro parte, no se debe sobrepasar los límites de Zmáx y V Zmáx, en caso contrario se quema el diodo, P Zmáx = V ZMáx * Zmáx. La resistencia R S deberá ser calculada de tal manera que: I I I y VZ min VZ VZ max Z min Z Z max, siempre que E y R L varíen entre ciertos valores conocidos. Considerando Dos Casos: 1 ER Caso R S no deberá ser mayor que R SMáx para lo cual Z = Zmín y V Z = V Zmín y se supone el caso desfavorable, es decir E = E m y R L = R Lmín. I L I LMax V R ZMin L min Aplicando la ley de Kirchhoff al circuito de regulación E m R SMax I ZMax I LMaxVZ min R S max I E m Z min V I Z min L max I E m Z min V V R Z min Z min L min 2 do Caso APLICACIONES DEL DIODOS 98

111 R S no deberá ser menor que R Smín para Z = Zmáx y V Z = V Zmáx y se supone el caso más desfavorable, es decir, E = E M y R L = R Lmáx. En este caso I L I L min V R ZMax L max Aplicando la ley de Kirchhoff al circuito de regulación E R M S min R S min E I M Z max El problema tendría una solución si IZMax I Lmin VZ max V I Z max L min R S min I E M Z max R S V V R R Z max Z max L max S max, es decir, los límites impuestos a E y a R L son compatibles con los límites de funcionamiento Zmín e Zmáx del diodo. En la práctica se puede tomar Resolución Gráfica Sabemos que Z R R E R S ( I ) V e R s min s max S. L Z 2 V E R I R I V luego Z IL ; S Z S L Z RL E R S I Z V Z V Z R R S L R S E R S I Z VZ 1 despejando Z RL I Z E R S RS VZ 1 R L R Que representa la ecuación de una recta, que se llama recta de carga. Consideraremos dos casos: S APLICACIONES DEL DIODOS 99

112 1 ER Caso Para E = E m y R L = R Lmín Si tomamos la ecuación de recta de carga y hacemos Z = 0 tenemos: V Z Em R 1 R S L min Ahora hacemos V Z = 0 obtener en la figura 79. E m I Z, el punto de funcionamiento es el punto A RS 2 do Caso Para E = E M y R L = R Lmáx Tomando la ecuación de la recta de carga y haciendo Z = 0 tenemos: V Z EM R 1 R S L max Ahora hacemos V Z = 0 obtener en la figura 79. E M I Z, el punto de funcionamiento es el punto B RS APLICACIONES DEL DIODOS 100

113 Fig. 79 Análisis Gráfico de Rs Existen otros casos: que toman los valores de V Z comprendidos entre V V V y los valores de R L comprendido entre RL min RL RL max. Z min Z Z max Ejemplo A.- Se quiere construir un circuito regulador de tensión que entregue a la salida una tensión de 5,1 V, sabiendo que la carga consume una I Lmáx = 100 ma, siendo I Lmín = 0 y que dispone de una alimentación que varía entre 9 V y 10 V. Los diodos zener de que se dispone son los que se muestran en la siguiente tabla escoger el que corresponda para el diseño del circuito. APLICACIONES DEL DIODOS 101

114 Solución: Si se elige Z 1 : Si se abre la carga por el zener irían 105 ma y como I Zmáx = 78 ma no podría funcionar, se quemaría y se dañaría no la resistiría. Si probamos con Z 2 : APLICACIONES DEL DIODOS 102