Diodos, Tipos y Aplicaciones

Transcripción

1 Diodos, Tipos y Aplicaciones Andrés Morales, Camilo Hernández, David Diaz C El diodo ideal es un componente discreto que permite la circulación de corriente entre sus terminales en un determinado sentido, mientras que la bloquea en el sentido contrario.en la Figura 1 se muestran el símbolo y la curva característica tensiónintensidad del funcionamiento del diodo ideal. El sentido permitido para la corriente es de A a K. Figura 1. Simbología y comportamiento del diodo Ideal. El funcionamiento del diodo ideal es el de un componente que presenta resistencia nula al paso de la corriente en un determinado sentido, y resistencia infinita en el sentido opuesto. La punta de la flecha del símbolo circuital, representada en la figura 1, indica el sentido permitido de la corriente. Figura 2. Modelamiento del diodo ideal.

2 Diodo de unión P-N Actualmente los diodos se fabrican a partir de la unión de dos materiales semiconductores de características opuestas, es decir, uno de tipo N y otro de tipo P. A esta estructura se le añaden dos terminales metálicos para la conexión con el resto del circuito. Supongamos que se dispone de un monocristal de silicio puro, dividido en dos zonas con una frontera nítida, definida por un plano. Una zona se dopa con impurezas de tipo P y la otra de tipo N. La zona P tiene un exceso de huecos, y se obtiene introduciendo átomos del grupo III en la red cristalina (por ejemplo, boro). La zona N dispone de electrones en exceso, procedentes de átomos del grupo V (fósforo). En ambos casos se tienen también portadores de signo contrario, aunque en una concentración varios órdenes de magnitud inferior (portadores minoritarios). En cada zona la carga total es neutra: por cada electrón hay un ion positivo, y por cada hueco un ion negativo, es decir, no existen distribuciones de carga neta, ni campos eléctricos internos. En el momento mismo de crear dos zonas de diferente concentración de portadores, entra en juego el mecanismo de la difusión. Como se recordará, este fenómeno tiende a llevar partículas de donde hay más a donde hay menos. El efecto es que los electrones y los huecos cercanos a la unión de las dos zonas la cruzan y se instalan en la zona contraria, es decir: Electrones de la zona N pasan a la zona P. Huecos de la zona P pasan a la zona N. Este movimiento de portadores de carga tiene un doble efecto. Centrémonos en la región de la zona P cercana a la unión: 1. El electrón que pasa la unión se recombina con un hueco. Aparece una carga negativa, ya que antes de que llegara el electrón la carga total era nula. 2. Al pasar el hueco de la zona P a la zona N, provoca un defecto de carga positiva en la zona P, con lo que también aparece una carga negativa. El mismo razonamiento, aunque con signos opuestos puede realizarse para la zona N. En consecuencia, a ambos lados de la unión se va creando una zona de carga, que es positiva en la zona N y negativa en la zona P. (figura 3) Figura 3. Formación de la unión P-N

3 Polarización directa El bloque PN, en principio no permite el establecimiento de una corriente eléctrica entre sus terminales puesto que la zona de deplección no es conductora. Sin embargo, si se aplica una tensión positiva en el ánodo, se generará un campo eléctrico que "empujará" los huecos hacia la unión, provocando un estrechamiento de la zona de deplección (Figura 3). Sin embargo, mientras ésta exista no será posible la conducción. Si la tensión aplicada supera a la de barrera, desaparece la zona de deplección y el dispositivo conduce. En resumen, polarizar un diodo PNen directa es aplicar tensión positiva a la zona P y negativa a la zona N. Un diodo PN conduce en directa porque se inunda de cargas móviles la zona de deplección. La tensión aplicada se emplea en: Vencer la barrera de potencial. Mover los portadores de carga. Polarizacion inversa Al contrario que en el apartado anterior, al aplicar una tensión positiva a la zona N y negativa a la zona P, se retiran portadores mayoritarios próximos a la unión. Estos portadores son atraídos hacia los contactos aumentando la anchura de la zona de deplección. Esto hace que la corriente debido a los portadores mayoritarios sea nula. Ahora bien, en ambas zonas hay portadores minoritarios. Un diodo polarizado en inversa lo está en directa para los minoritarios, que son atraídos hacia la unión. El movimiento de estos portadores minoritarios crea una corriente, aunque muy inferior que la obtenida en polarización directa para los mismos niveles de tensión. Al aumentar la tensión inversa, llega un momento en que se produce la ruptura de la zona de deplección, al igual que sucede en un material aislante: el campo eléctrico puede ser tan elevado que arranque electrones que forman los enlaces covalentes entre los átomos de silicio, originando un proceso de rotura por avalancha. Característica I vs V La Figura 4 muestra la característica V-I (tensión-corriente) típica de un diodo real. En la gráfica se aprecian claramente diferenciadas las diversas regiones de funcionamiento explicadas en el apartado anterior: Región de conducción en polarización directa (PD). o Región de corte en polarización inversa (PI). o Región de conducción en polarización inversa. Por encima de 0 Voltios, la corriente que circula es muy pequeña, hasta que no se alcanza la tensión de barrera (V ON ). El paso de conducción a corte no es instantáneo: a

4 partir de V ON la resistencia que ofrece el componente al paso de la corriente disminuye progresivamente, hasta quedar limitada sólo por las resistencias internas de las zonas P y N. La intensidad que circula por la unión aumenta rápidamente. En el caso de los diodos de silicio, V ON se sitúa en torno a 0,7 V. Cuando se polariza con tensiones menores de 0 Voltios, la corriente es mucho menor que la que se obtiene para los mismos niveles de tensión que en directa, hasta llegar a la ruptura, en la que de nuevo aumenta. Modelo real Figura 4. Formación de la unión P-N El comportamiento del diodo real se corresponde con el indicado por la siguiente expresión: V D I D = I S (env T 1) Donde: n: Es el factor de idealidad. El valor n se ubica dentro del rango entre 1 y 2. Depende de las dimensiones del diodo, del material semiconductor, de la magnitud de la corriente directa y del valor de I S. V T : Es el potencial térmico del diodo y es función de la constante de Boltzmann (K), la carga del electrón (q) y la temperatura absoluta del diodo T(K). I S : Es la corriente inversa de saturación del diodo. Depende de la estructura, del material, del dopado y fuertemente de la temperatura.

5 Modelo de pequeña señal Hay aplicaciones en las que el diodo se polariza en un punto de tensión positiva, y sobre ese punto se superpone una señal alterna de pequeña amplitud. Figura 1. a) Diodo polarizado con una señal alterna superpuesta a una continua, b) Tensión y corriente en un diodo polarizado con una señal alterna superpuesta a una continua Las ecuaciones que describen el comportamiento del diodo en pequeña señal son las siguientes: Tipos de diodos y aplicaciones Diodo detector Los diodos detectores también denominados diodos de señal o de contacto puntual, están hechos de germanio y se caracterizan por poseer una unión PN muy diminuta.

6 Esto le permite operar a muy altas frecuencias y con señales pequeñas. Se emplea por ejemplo, en receptores de radio para separar la componente de alta frecuencia (portadora) de la componente de baja frecuencia (información audible). Esta operación se denomina detección. Diodo Rectificador Los diodos rectificadores son aquellos dispositivos semiconductores que solo conducen en polarización directa (arriba de 0.7 V) y en polarización inversa no conducen. Estas característicasson las que permite a este tipo de diodo rectificar una señal. Los hay de varias capacidades en cuanto al manejo de corriente y el voltaje en inverso que pueden soportar. Los diodos, en general se identifican mediante una referencia. En el sistema americano, la referencia consta del prefijo 1N seguido del número de serie, por ejemplo: 1N4004. La N significa que se trata de un semiconductor, el 1 indica el número de uniones PN y el 4004 las características o especificaciones exactas del dispositivo. En el sistema europeo o continental se emplea el prefijo de dos letras, por ejemplo: BY254. En este caso, la B indica el material (silicio) y la Y el tipo (rectificador). Sin embargo muchos fabricantes emplean sus propias referencias, por ejemplo: ECG581. Diodo Zener Un diodo zener es un semiconductor que se distingue por su capacidad de mantener un voltaje constante en sus terminales cuando se encuentran polarizados inversamente, y por ello se emplean como elementos de control, se les encuentra con capacidad de ½ watt hasta 50 watt y para tensiones de 2.4 voltios hasta 200 voltios. El diodo zener polarizado directamente se comporta como un diodo normal, su voltaje permanece cerca de 0.6 a 0.7 V. Los diodos zener se identifican por una referencia, como por ejemplo: 1N3828 ó BZX85, y se especifican principalmente por su voltaje zener nominal (VZ) y la potencia máxima que pueden absorber en forma segura sin destruirse (PZ). Diodo Emisor de luz (LED) Es un diodo que entrega luz al aplicársele un determinado voltaje. Cuando esto sucede, ocurre una recombinación de huecos y electrones cerca de la unión NP; si este se ha polarizado directamente la luz que emiten puede ser roja, ámbar, amarilla, verde o azul dependiendo de su composición. Los LED s se especifican por el color o longitud de onda de la luz emitida, la caída de voltaje directa (VF), el máximo voltaje inverso (VR), la máxima corriente directa (IF) y la intensidad luminosa. Típicamente VF es del orden de 4 V a 5 V. Se consiguen LED s con valores de IF desde menos de 20 ma hasta más de 100 ma e intensidades desde menos de 0.5 mcd (milicandelas) hasta más de 4000 mcd. Entre mayor sea la corriente aplicada, mayor es el brillo, y viceversa. El valor de VF depende del color, siendo mínimo para LED s rojos y máximo para LED s azules. Los LED s deben ser protegidos mediante una resistencia en serie, para limitar la

7 corriente a través de este a un valor seguro, inferior a la IF máxima. También deben protegerse contra voltajes inversos excesivos. Un voltaje inverso superior a 5V causa generalmente su destrucción inmediata del LED. Diodo estabilizador Está formados por varios diodos en serie, cada uno de ellos produce una caída de tensión correspondiente a su tensión umbral. Trabajan en polarización directa y estabilizan tensiones de bajo valores similares a lo que hacen los diodos Zéner. Diodo Túnel Los diodos túnel, también conocidos como diodos Esaki. Se caracterizan por poseer una zona de agotamiento extremadamente delgada y tener en su curva una región de resistencia negativa donde la corriente disminuye a medida que aumenta el voltaje. Esta última propiedad los hace muy útiles como detectores, amplificadores, osciladores, multiplicadores, interruptores, etc., en aplicaciones de alta frecuencia. Diodo Schottky Los diodos Schottky también llamados diodos de recuperación rápida o de portadores calientes, están hechos de silicio y se caracterizan por poseer una caída de voltaje directa muy pequeña, del orden de 0.25 V o menos, y ser muy rápidos. Se emplean en fuentes de potencia, sistemas digitales y equipos de alta frecuencia. Una variante son los diodos back o de retroceso, los cuales tienen un voltaje de conducción prácticamente igual a cero, pero también un voltaje inverso de ruptura muy bajo, lo cual lo limita su uso a aplicaciones muy especiales. Fotodiodos Los fotodiodos son diodos provistos de una ventana transparente cuya corriente inversa puede ser controlada en un amplio rango regulando la cantidad de luz que pasa por la ventana e incide sobre la unión PN. A mayor cantidad de luz incidente, mayor es la corriente inversa producida por que se genera un mayor número de portadores minoritarios, y viceversa. Son muy utilizados como sensores de luz en fotografía, sistemas de iluminación, contadores de objetos, sistemas de seguridad, receptores de comunicaciones ópticas y otras aplicaciones.

8 REFERENCIAS Miguel Ángel Chiarena. Tipos de diodos.disponible en : Profesor Molina. El diodo y sus aplicaciones. Disponible en: DIODO DE UNIÓN P-N. Disponible en: _diodos_de_union_p-n.pdf Sedra/Smith. Circuitos microelectrónicos. 4 edición. Diodos. Capitulo 3. Paginas