2. Operación del Diodo. Electrónica Analógica

Transcripción

1 2. Operación del Diodo Electrónica Analógica

2 Temas: Operación del Diodo Operación de un diodo Característica de voltaje-corriente de un diodo Modelos del diodo Ideal Práctico Completo Exponencial Pequeña señal a baja frecuencia Pspice/Spice AC a alta frecuencia

3 Objetivos Utilizar un diodo en aplicaciones comunes Operación del Diodo Analizar la característica de voltaje-corriente de un diodo Explicar cómo difieren los modelos de diodos Explicar y analizar la operación de rectificadores de media onda Explicar y analizar la operación de rectificadores de onda completa Explicar y analizar la operación y las características de filtros y reguladores de fuentes de alimentación Explicar y analizar la operación de circuitos limitadores y sujetadores con diodos Explicar y analizar la operación de multiplicadores de voltaje con diodos Interpretar y utilizar una hoja de datos de un diodo Solución de fallas de fuentes de potencia y circuitos de diodo

4 El Diodo Operación de un Diodo Como se ha mencionado, un diodo está hecho de una pequeña pieza de material semiconductor, usualmente Silicio, en el que una mitad está dopada con una región p y la otra mitad está dopada con una región n teniendo una unión pn con una región de empobrecimiento. La región p se denomina ánodo y está conectada a un terminal conductor. La región n se denomina cátodo y está conectada a un segundo terminal conductor

5 El Diodo Operación de un Diodo

6 Polarización de un Diodo Operación de un Diodo Como ya se aprendió, en el punto de equilibrio ningún electrón se mueve a través de la unión pn. En general el término polarización se refiere al uso de un voltaje de cc para establecer ciertas condiciones de operación para un dispositivo electrónico. En relación con un diodo existen dos condiciones: en directa y en inversa. Cualquiera de estas condiciones de polarización se establece conectando un voltaje de cc suficiente y con la polaridad apropiada a través de la unión pn.

7 Polarización en directa Operación de un Diodo

8 Polarización en directa Operación de un Diodo Un diodo polarizado en directa que muestra el flujo de portadores mayoritarios y el voltaje debido al potencial de barrera a través de la región de empobrecimiento.

9 Polarización en directa Operación de un Diodo Como las cargas iguales se repelen, el lado negativo de la fuente de voltaje de polarización empuja a los electrones libres, los cuales son los portadores mayoritarios en la región n, hacia la unión pn. Este flujo de electrones libre se llama corriente de electrones. El lado negativo de la fuente también genera un flujo continuo de electrones a través de la conexión externa (conductor) y hacia la región n como muestra la figura. La fuente de voltaje de polarización proporciona suficiente energía a los electrones libres para que venzan el potencial de barrera de la región de empobrecimiento y continúen moviéndose hacia la región p. Una vez que llegan a la región p, estos electrones de conducción han perdido suficiente energía para combinarse de inmediato con los huecos presentes en la banda de valencia.

10 Polarización en directa Operación de un Diodo Entonces, los electrones quedan en la banda de valencia de la región p simplemente porque perdieron demasiada energía al vencer el potencial de barrera y permanecer en la banda de conducción. Como las cargas diferentes se atraen, el lado positivo de la fuente de voltaje de polarización atrae los electrones de valencia hacia el extremo izquierdo de la región p. Los huecos en la región p proporcionan el medio o ruta para que estos electrones de valencia se desplacen hacia la región p. Los electrones de valencia se desplazan de un hueco al siguiente hacia la izquierda. Los huecos, que son portadores mayoritarios en la región p, efectivamente (no en realidad) se desplazan a la derecha hacia la unión, como ilustra la figura. Este flujo efectivo de huecos es la corriente de huecos. También se ve que el flujo de electrones de valencia a través de la región p crea la corriente de huecos y los huecos son el único medio para que estos electrones fluyan.

11 Polarización en directa Operación de un Diodo A medida que los electrones salen de la región p a través de la conexión externa (conductor) en dirección al lado positivo de la fuente de voltaje de polarización, dejan huecos en la región p; al mismo tiempo, estos electrones se convierten en electrones de conducción en el conductor metálico. Recuerde que la banda de conducción de un conductor se traslapa con la banda de valencia de modo que se requiere mucho menos energía para que un electrón sea un electrón libre en un conductor que en un semiconductor, y que los conductores metálicos no tienen huecos en su estructura. Existe disponibilidad continua de huecos que efectivamente se mueven hacia la unión pn para combinarse con la corriente continua de electrones cuando atraviesan la unión pn hacia la unión p.

12 Operación de un Diodo Efecto de la polarización en directa en la región de empobrecimiento A medida que fluyen más electrones hacia la región de empobrecimiento, el número de iones se reduce. Conforme más huecos fluyen hacia la región de empobrecimiento del otro lado de la unión pn, el número de iones negativos se reduce. Esta reducción de iones positivos y negativos durante la polarización en directa hace que la región de empobrecimiento se estreche.

13 Operación de un Diodo Efecto de la polarización en directa en la región de empobrecimiento La región de empobrecimiento se estrecha y se produce una caída de voltaje a través de la unión pn cuando el diodo está polarizado en directa.

14 Operación de un Diodo Efecto del potencial de barrera durante la polarización en directa Cuando se aplica polarización en directa, los electrones libres reciben suficiente energía de la fuente de voltaje de polarización para vencer el potencial de barrera y escalar la colina de energía, atravesando así la región de empobrecimiento. La energía que requieren los electrones para pasar a través de la región de empobrecimiento es igual al potencial de barrera. En otras palabras, los electrones ceden una cantidad de energía equivalente al potencial de barrera cuando atraviesan la región de empobrecimiento. Esta pérdida de energía produce una caída de voltaje a través de la unión pn igual al potencial de barrera (0.7 V. Ocurre una caída de voltaje adicional a través de las regiones p y n debido a la resistencia interna del material. En el caso de un material semiconductor dopado, esta resistencia, llamada resistencia dinámica, es muy pequeña y casi siempre se puede despreciar.

15 Polarización Inversa Operación de un Diodo La polarización inversa es la condición que en escencia evita la circulación de corriente a través del diodo. En la figura se muestra una fuente de voltaje de cc conectada a través de un diodo en la dirección que produce polarización en inversa. Este voltaje de polarización externo se designa como VPOLARIZACIÓN, como en el caso de polarización en directa. Observe que el lado positivo de VPOLARIZACIÓN está conectado a la región n del diodo y el lado negativo está conectado a la región p. Observe también que la región de empobrecimiento se muestra mucho más ancha que la condición de polarización en directa o equilibrio.

16 Polarización Inversa Operación de un Diodo

17 Polarización Inversa Operación de un Diodo El diodo durante el corto tiempo de transición inmediatamente después de que se aplica el voltaje de polarización en inversa

18 Polarización Inversa Operación de un Diodo La figura ilustra lo que sucede cuando un diodo se polariza en inversa. Como las cargas diferentes se atraen, el lado positivo de la fuente de voltaje de polarización jala los electrones libres, los cuales son los portadores mayoritarios en la región n, lejos de la unión pn. A medida que los electrones fluyen hacia el lado positivo de la fuente de voltaje, se crean iones positivos adicionales. Esto produce el ensanchamiento de la región de empobrecimiento y el consecuente empobrecimiento de los portadores mayoritarios. En la región p, los electrones procedentes del lado negativo de la fuente de voltaje entran como electrones de valencia y se desplazan de hueco en hueco hacia la región de empobrecimiento, donde crean iones negativos adicionales. Esto ensancha la región de empobrecimiento y agota los portadores mayoritarios. El flujo de electrones de valencia puede ser considerado como huecos que están siendo jalados hacia el lado positivo.

19 Polarización Inversa Operación de un Diodo El flujo inicial de portadores de carga es transitorio y subsiste sólo durante un lapso muy corto después de que se aplica el voltaje de polarización en inversa. Conforme la región de empobrecimiento se ensancha, la disponibilidad de portadores mayoritarios se reduce. A medida que más regiones n y p se quedan sin portadores mayoritarios, la intensidad del campo eléctrico entre los iones positivos y negativos se incrementa hasta que el potencial a través de la región de empobrecimiento es igual al voltaje de polarización, VPOLARIZACIÓN. En ese momento, la corriente de transición en esencia cesa, excepto por una muy pequeña corriente en inversa que casi siempre se puede despreciar.

20 Polarización Inversa Operación de un Diodo Corriente en inversa. La corriente extremadamente pequeña que existe en la condición de polarización en inversa después de que la corriente de transición se disipa es provocada por los portadores minoritarios en las regiones n y p producidos por pares de electrón-hueco generados térmicamente. El pequeño número de electrones minoritarios libres en la región p son empujados hacia la unión pn por el voltaje de polarización negativo. Cuando estos electrones llegan a la región de empobrecimiento ancha, descienden la colina de energía, se combinan con huecos minoritarios presentes en la región n como electrones de valencia, fluyen hacia el voltaje de polarización positivo y se crea una pequeña corriente de huecos. La banda de conducción de la región p está a un nivel de energía mucho más alto que la banda de conducción en la región n. Así pues, los portadores minoritarios pasan con facilidad a través de la región de empobrecimiento porque no requieren energía adicional.

21 Polarización Inversa Corriente en Inversa. Operación de un Diodo La extremadamente pequeña corriente en inversa en un diodo polarizado en inversa se debe a los portadores minoritarios provenientes de pares de electrón-hueco térmicamente generados.

22 Polarización Inversa Operación de un Diodo Ruptura en inversa. Normalmente, la corriente en inversa es tan pequeña que se puede despreciar. No obstante, si el voltaje de polarización en inversa externo se incrementa a un valor llamado voltaje de ruptura, la corriente en inversa se incrementará drásticamente. Esto es lo que sucede. El alto voltaje de polarización en inversa proporciona energía a los electrones minoritarios, así que a medida que adquieren velocidad a través de la región p chocan con átomos con suficiente energía para sacar a los electrones de valencia de su órbita para enviarlos hacia la banda de conducción. Los electrones de conducción recién creados también contienen mucha energía y repiten el proceso. Si un electrón expulsa a sólo otros dos electrones de su órbita de valencia durante su recorrido a través de la región p, los números se multiplican con rapidez. A medida que estos electrones de alta energía pasan a través de la región de empobrecimiento, su energía es suficiente para atravesar la región n como electrones de conducción en lugar de combinarse con huecos.

23 Polarización Inversa Operación de un Diodo Ruptura en inversa. La multiplicación de los electrones de conducción recién descrita se conoce como efecto avalancha y la corriente en inversa puede incrementarse dramáticamente si no se toman las medidas pertinentes para limitar la corriente. Cuando no se limita la corriente en inversa, el calentamiento resultante daña permanentemente el diodo. La mayoría de los diodos no son operados en condición de ruptura en inversa, pero si se limita la corriente (por ejemplo mediante la adición de un resistor limitador en serie), el diodo no sufre daños permanentes.

24 Efectos Capacitivos de la unión PN Operación de un Diodo Hay dos mecanismos de almacenamiento de carga en la unión PN. Uno está asociado con la carga almacenada en la región de agotamiento, y el otro está asociado con la carga almacenada en los portadores minoritarios en materiales tipo p y n como un resultado de la concentración de perfiles establecidos por la inyección de portadores. Si bien la primera es más fácil de ver cuando la función está polarizada inversamente, la segunda es efectiva sólo cuando la unión está polarizada en directa. Los diodos polarizados en directa y en inversa tienen una capacitancia asociada con la unión pn. Esta capacitancia es importante en condiciones de señal dinámica porque evita que el voltaje a través del diodo cambie instantáneamente.

25 Efectos Capacitivos de la unión PN Operación de un Diodo Capacitancia de Unión o de Empobrecimiento (Agotamiento). C J Bajo polarización inversa, el ancho de la región de empobrecimiento aumenta más allá de su valor de polarización cero, por lo tanto la cantidad de carga en la región de agotamiento también aumenta. Dado que la carga en el diodo está cambiando con voltaje, resulta una capacitancia.

26 Efectos Capacitivos de la unión PN Operación de un Diodo Capacitancia de Unión o de Empobrecimiento (Agotamiento). C J La ecuación muestra que la capacitancia del diodo cambia con la tensión aplicada. La capacitancia disminuye a medida que aumenta la polarización inversa, exhibiendo una relación inversa de raíz cuadrada. Esta capacitancia controlada por voltaje puede ser muy útil en ciertos circuitos electrónicos. Los diodos se pueden diseñar con perfiles de impureza (llamados perfiles hiper-abruptos) optimizados específicamente para el funcionamiento como condensadores controlados por voltaje. Como en el caso de los diodos Zener, existe un símbolo especial para el diodo de capacitancia variable. Enlaces a hojas de datos para una serie de diodos de capacitancia variable se pueden encontrar en el sitio web de MCD.

27 Efectos Capacitivos de la unión PN Capacitancia de Difusión. C d Operación de un Diodo Cuando la unión está polarizada en directa, la región de agotamiento se hace más estrecha y la capacidad de agotamiento aumenta porque la tensión de polarización v D es positiva. Sin embargo, un gran número de portadores minoritarios son inyectados en la unión bajo la condición de polarización directa. Habrá un exceso de portadores de carga minoritaria cerca de la capa de agotamiento, y esto causará un gran efecto de almacenamiento de carga. El exceso de concentración será más alto cerca del borde de la capa de agotamiento y disminuirá exponencialmente hacia cero con la distancia desde la unión.

28 Característica de voltaje-corriente de un diodo Característica V-I en condición de polarización en directa Las mediciones de polarización en directa muestran cambios generales en VF e IF a medida que se incrementa el VPOLARIZACIÓN.

29 Característica de voltaje-corriente de un diodo Característica V-I en condición de polarización en directa Relación de voltaje y corriente en un diodo polarizado en directa.

30 Característica de voltaje-corriente de un diodo Característica V-I en condición de polarización en directa Resistencia dinámica. A diferencia de la resistencia lineal, la resistencia del diodo polarizado en directa no es constante a lo largo de toda la curva. Como la resistencia cambia al ir recorriendo la curva V-I, se llama resistencia dinámica o de ca. Las resistencias internas de los dispositivos electrónicos en general se expresan mediante la letra r minúscula cursiva con un apóstrofo, en lugar de la R estándar. La resistencia dinámica de un diodo se expresa como r D. Debajo de la inflexión de la curva, la resistencia es más grande porque la corriente se incrementa muy poco con un cambio dado del voltaje La resistencia comienza a disminuir en la región de la inflexión de la curva y se vuelve pequeña por encima de la inflexión donde la corriente sufre un gran cambio con un cambio dado del voltaje.

31 Característica de voltaje-corriente de un diodo Característica V-I en condición de polarización en inversa Cuando se aplica un voltaje de polarización en inversa a través de un diodo, existe sólo una corriente en inversa extremadamente pequeña (I R ) a través de la unión pn. Con 0 V a través del diodo, no existe corriente en inversa. A medida que se incrementa gradualmente el voltaje de polarización en inversa, existe una corriente en inversa muy pequeña y el voltaje a través del diodo se incrementa. Cuando el voltaje de polarización aplicado se incrementa a un valor en el que el voltaje en inversa a través del diodo (V R ) alcanza el valor de ruptura (V BR ), la corriente en inversa comienza a incrementarse con rapidez. A medida que continúa incrementándose el voltaje de polarización, la corriente continúa incrementándose muy rápido, pero el voltaje a través del diodo se incrementa muy poco por encima de V BR. La ruptura, con excepciones, no es un modo normal de operación de la mayoría de los dispositivos con unión pn.

32 Característica de voltaje-corriente de un diodo Característica V-I en condición de polarización en inversa Trazo de la curva V-I. El voltaje en inversa en el diodo (V R ) se incrementa a la izquierda a lo largo del eje horizontal y la corriente en inversa (I R ) se incrementa hacia abajo a lo largo del eje vertical. Existe muy poca corriente en inversa (casi siempre mao na) hasta que el voltaje en inversa a través del diodo alcanza aproximadamente el valor de ruptura (V BR ) en la inflexión de la curva. Después de este punto, el voltaje en inversa permanece a aproximadamente V BR, pero I R se incrementa muy rápido y el resultado es un sobrecalentamiento y posibles daños si la corriente no se limita a un nivel seguro. Curva de característica V-I para un diodo polarizado en inversa

33 Característica de voltaje-corriente de un diodo Curva Característica V-I Completa La curva de la característica V-I para un diodo

34 Característica de voltaje-corriente de un diodo Efectos de la Temperatura Para un diodo polarizado en directa, a medida que se incrementa la temperatura, la corriente de polarización en directa se incrementa para un valor dado del voltaje de polarización en directa. Además, con un valor dado de la corriente de polarización en directa, el voltaje de polarización en directa se reduce. El potencial de barrera se reduce 2 mv por cada grado de incremento de la temperatura. Para un diodo polarizado en inversa, a medida que se incrementa la temperatura la corriente de polarización en inversa se incrementa.

35 Efectos de la Temperatura Característica de voltaje-corriente de un diodo Figure 4.9 Temperature dependence of the diode forward characteristic. At a constant current, the voltage drop decreases by approximately 2 mv for every 1 C increase in temperature.

36 Conexiones de Polarización Modelos del diodo

37 Modelos del diodo El Modelo Ideal del diodo. Polarización Directa

38 Modelos del diodo El Modelo Ideal del diodo. Polarización Inversa

39 Modelos del diodo Modelo Práctico de un diodo. Polarización Directa

40 Modelos del diodo Modelo Práctico de un diodo. Polarización Inversa

41 Modelos del diodo Modelo Completo del diodo. Polarización Directa

42 Modelos del diodo Modelo Completo del diodo. Polarización Inversa

43 Modelo Completo del diodo. Ejercicios Modelos del diodo

44 Modelo Exponencial Modelos del Diodo

45 Modelo Exponencial Modelos del Diodo El coeficiente de emisión n depende del material y de la construcción física del diodo. Para los diodos de germanio, n se considera 1. Para diodos de silicio, el valor predicho de n es 2 con corrientes muy pequeñas o grandes; Pero para la mayoría de los diodos de silicio prácticos, el valor de n se sitúa en el intervalo de 1,1 a 1,8.

46 Modelo Exponencial Modelos del Diodo

47 Modelo Exponencial Polarización Directa Modelos del Diodo Polarización Inversa

48 Análisis gráfico usando el modelo exponencial Modelos del Diodo

49 Modelos del Diodo Modelo de Pequeña Señal a Baja Frecuencia En los circuitos electrónicos, una fuente de corriente continua establece normalmente el punto de funcionamiento de la corriente continua de los dispositivos electrónicos, incluidos los diodos, y una señal de corriente alterna se suele entonces superponer en el punto de funcionamiento. De este modo, el punto de funcionamiento, que consta tanto de una componente de CC como de una señal de CA, variará con la magnitud de la señal de CA Dado que la característica i D -v D de un diodo es no lineal, la corriente de diodo i D también variará de forma no lineal con la tensión de señal de CA. La magnitud de la señal de CA es generalmente pequeña, sin embargo, por lo que el punto de funcionamiento cambia sólo por una pequeña cantidad. Por lo tanto, la pendiente de la característica (Di D frente a Dv D ) puede aproximarse linealmente. Bajo esta condición, podemos representar el diodo como una resistencia para determinar la respuesta del circuito a esta pequeña señal AC. Es decir, la característica de diodo no lineal puede linealizarse en el punto de funcionamiento.

50 Modelo de Pequeña Señal a Baja Frecuencia Modelos del Diodo

51 Modelo de Pequeña Señal a Baja Frecuencia Modelos del Diodo

52 Modelo del Diodo en Pspice/Spice Modelos del Diodo

53 Modelo del Diodo AC a alta frecuencia Modelos del Diodo Un diodo práctico, exhibe algunos efectos capacitivos que necesitan ser incorporados en cualquier modelo de alta frecuencia con el fin de obtener la respuesta dependiente del tiempo de un circuito de diodo. Hemos visto que existe una capa de agotamiento en la unión pn polarizada inversamente de diodos. Es decir, hay una región empobrecida de portadores, que separa dos regiones de conductividad relativamente buena. Así tenemos en esencia un condensador de placa paralela, con silicio como el dieléctrico (Capacitancia de Unión C j ). Además, hay una inyección de un gran número de portadores minoritarios bajo condiciones de polarización directa. Por lo tanto, existen dos tipos de capacitancia: agotamiento y difusión (Capacitancia de Difusión C d ).

54 Modelo del Diodo AC a alta frecuencia Modelos del Diodo