Ing. Christian Lezama Cuellar

Transcripción

1 Ing. Christian Lezama Cuellar

2 1. Conducción en los materiales Diodo semiconductor: Componente electrónico formado por la unión de dos materiales semiconductores con distintos tipos de impurezas. Modelo de bandas de energía:

3 Materiales (por el ancho de banda prohibida): Aislante: Anchura del orden de varios ev (aprox. 6 ev). Semiconductor: Anchura relativamente pequeña (aprox.1ev). Aislante a bajas temperaturas y con su aumento algunos electrones obtienen energía térmica para superar la banda prohibida. Usuales los del grupo IV de la T.P: Silicio (1.21a 0ºK), Germanio (0.785 a 0ºK). Metal: Bandas de valencia y conducción solapadas a temperatura ambiente de modo que los electrones circulan libremente.

4 Algo sobre la estructura de los semiconductores Semiconductores más comunes La capacidad de compartir o aceptar 4 electrones es una característica común en ellos Todos tienen una brecha indirecta, eso los hace pobres para posibles aplicaciones ópticas. Compuesto Este tipo de compuesto tienen la cualidad de tener una brecha directa. Esto lo hace apto para aplicaciones ópticas como foto diodos y láseres.

5 2. Conducción en los materiales semiconductores Comportamiento del Germanio: Representación plana del Germanio a 0ºK Situación del Germanio a 300ºK

6 3. Materiales semiconductores Tipos de semiconductores: Semiconductores intrínsecos: Semiconductores puros. Semiconductores extrínsecos: Semiconductores dopados (añadidos átomos de impurezas a un intrínseco). Tipos: Tipo n: Se le añaden impurezas donadoras (electrones). Ej: Sb al Ge. Tipo p: Se le añaden impurezas receptoras (huecos). Ej: Al al Ge

7 Comportamiento:

8 Impurezas grupo V 300ºK Electrones libres Átomos de impurezas ionizados Los portadores de carga en un semiconductor tipo N son electrones libres

9 300ºK Huecos libres Átomos de impurezas ionizados Los portadores de carga en un semiconductor tipo P son huecos. Actúan como portadores de carga positiva.

10 La unión PN en equilibrio Semiconductor tipo P Semiconductor tipo N

11 La unión PN en equilibrio Zona de transición Semiconductor tipo P Semiconductor tipo N Al unir un semiconductor tipo P con uno de tipo N aparece una zona de carga espacial denominada zona de transición. Que actúa como una barrera para el paso de los portadores mayoritarios de cada zona.

12 Note como ante una fuente externa, después de hacerse agotado el intercambio de electrones en la región de agotamiento, se produce un flujo masivo de electrones hacia los huecos (corriente electrónica). Por convención se ha adoptado el movimiento de huecos como el sentido de la corriente eléctrica

13 La unión PN polarizada en directa La zona de transición se hace más pequeña. La corriente comienza a circular a partir de un cierto umbral de tensión directa. P N

14 La unión PN polarizada en directa La recombinación electrónhueco hace que la concentración de electrones en la zona P disminuya al alejarse de la unión. P N Concentración de huecos Concentración de electrones

15 Consideremos un diodo PN polarizado como se muestra. La polarización jala a los huecos y a los electrones alejándolos de la unión incrementando el ancho de la región de agotamiento. Se produce una pequeña corriente de huecos provenientes del lado n y electrones de lado p llamada Corriente Inversa de Saturación.

16 La unión PN polarizada inversamente La zona de transición se hace más grande. Con polarización inversa no hay circulación de corriente. P N

17 P N DIODO SEMICONDUCTOR

18 CARACTERÍSTICA DEL DIODO Idealmente, permite corriente directa (se comporta como un cable) y bloquea o no permite la corriente inversa (se comporta como un cable roto) V I P I PRESENTA UN COMPORTAMIENTO NO LINEAL!! N V ANÉCDOTA Un símil hidráulico podría ser una válvula antiretorno, permite pasar el agua (corriente) en un único sentido.

19 Funcionamiento de una válvula antiretorno h 1 h 2 Caudal h 1 h 2

20 DIODO REAL ánodo p cátodo n 1 i [ma] Ge Si A Símbolo K Silicio Germanio I D I S e VD q K T V [Volt.] I S = Corriente Saturación Inversa K = Cte. Boltzman K = 11600/ ( =1 para Ge, y =2 para Si) V D = Tensión diodo q = Carga del electrón T = Temperatura (ºK) I D = Corriente diodo

21 DIODO REAL (Distintas escalas) i [ma] 1 Ge Ge: mejor en conducción Si: mejor en bloqueo Si 30 i [ma] Ge Si V [Volt.] V [Volt.] i [ A] i [pa] V [Volt.] V [Volt.] Ge 0.8 Si 10

22 DIODO: DISTINTAS APROXIMACIONES I Ideal I Solo tensión de codo Ge = 0.3 Si = 0.6 V V I Tensión de codo y Resistencia directa I Curva real (simuladores, análisis gráfico) V V

23 DIODO: LIMITACIONES Tensión inversa máxima Ruptura de la Unión por avalancha I Corriente máxima Límite térmico, sección del conductor V 600 V/6000 A 200 V /60 A 1000 V /1 A

24 DIODO: Parámetros facilitados por fabricantes i d I Omax V R = 1000V Tensión inversa máxima I OMAX (AV) = 1A Corriente directa máxima V F = 1V Caída de Tensión directa I R = 50 na Corriente inversa V R i S V d V R = 100V Tensión inversa máxima I OMAX (AV) = 150mA Corriente directa máxima V F = 1V Caída de Tensión directa I R = 25 na Corriente inversa NOTA: Se sugiere con un buscador obtener las hojas de características de un diodo (p.e. 1N4007). Normalmente aparecerán varios fabricantes para el mismo componente.

25 DIODO: Parámetros facilitados por fabricantes Tiempo de recuperación inversa U E U E i S Alta Baja frecuencia R i S t rr = tiempo de recuperación inversa A alta frecuencia se aprecia un intervalo en el cual el diodo conduce corriente inversa.

26 DIODOS ESPECIALES Diodo Zener (Zener diode) La ruptura no es destructiva. (Ruptura Zener). Tensión Zener (V Z ) I En la zona Zener se comporta como una fuente de tensión (Tensión Zener). Necesitamos, un límite de corriente inversa. V Límite máximo Normalmente, límite de potencia máxima Podemos añadir al modelo lineal la resistencia Zener. Aplicaciones en pequeñas fuentes de tensión y referencias.

27 DIODOS ESPECIALES Diodo LED (LED diode) Diodo emisor de Luz = Light Emitter Diode El semiconductor es un compuesto IIIV (p.e. Ga As). Con la unión PN polarizada directamente emiten fotones (luz) de una cierta longitud de onda. (p.e. Luz roja) A K

28 DIODOS ESPECIALES Fotodiodos (Photodiode) Los diodos basados en compuestos IIIV, presentan una corriente de fugas proporcional a la luz incidente (siendo sensibles a una determinada longitud de onda). i V Estos fotodiodos se usan en el tercer cuadrante. Siendo su aplicaciones principales: Sensores de luz (fotómetros) Comunicaciones i opt 0 COMENTARIO Los diodos normales presentan variaciones en la corriente de fugas proporcionales a la Temperatura y pueden ser usados como sensores térmicos i El modelo puede ser una fuente de corriente dependiente de la luz o de la temperatura según el caso I = f(t) T 1 0 V T 2 >T 1

29 DIODOS ESPECIALES Células solares (Solar Cell) i V CA V Cuando incide luz en una unión PN, la característica del diodo se desplaza hacia el 4º cuadrante. En este caso, el dispositivo puede usarse como generador. Zona uso i CC Paneles de células solares

30 DIODOS ESPECIALES Diodo Schottky (Schottky diode) Unión Metalsemiconductor N. Produciéndose el llamado efecto schottky. La zona N debe estar poco dopada. Dispositivos muy rápidos (capacidades asociadas muy bajas). Corriente de fugas significativamente mayor. Menores tensiones de ruptura. Caídas directas mas bajas (tensión de codo 0.2 V). Aplicaciones en Electrónica Digital y en Electrónica de Potencia El efecto Schottky fue predicho teóricamente en 1938 por Walter H. Schottky

31 ASOCIACIÓN DE DIODOS Puente rectificador Diodo de alta tensión (Diodos en serie) Monofásico Trifásico DISPLAY

32 Símbolo Ecuación característica:

33 Regiones de Operación Región de polarización directa o región de conducción (VD>Vγ) Región de polarización inversa (VZ < VD < Vγ) Región de ruptura o Zener (VD<VZ)

34 Característica TensiónIntensidad

35 Limitación de intensidad Los diodos poseen cotas máximas de intensidad (potencias de mw) Para limitar se suele emplear una resistencia en serie con el diodo Dependencia de la temperatura. Cada 10ºC Is se duplica VT=KT/q crece linealmente con la temperatura. En conmutación Tiempo de recuperación inversa: del orden de los 10 μseg. Tiempo de recuperación directa: suele despreciarse

36 Punto de trabajo: conjunto de valores de tensión e intensidad que satisfacen tanto las ecuaciones características de un dispositivo electrónico como aquellas ecuaciones impuestas por la topología del circuito del que forma parte el dispositivo. Recta de carga: Q: punto de trabajo

37 Modelado de dispositivos: Modelar un dispositivo consiste en simplificar la expresión matemática que describe su comportamiento. Condiciones: Modelo que abstraiga el funcionamiento básico del dispositivo a nivel físico. Debe establecerse un rango de validez para el modelo. Usualmente un modelo para cada región de operación. Relación entre el grado de complejidad y la precisión del modelo. Análisis de un circuito en gran señal: Supone el rango completo de sus variables V,I considerando que los dispositivos operen en distintas zonas de funcionamiento y por tanto utilizando el modelo correspondiente. Análisis de un circuito en pequeña señal: Supone la linealización del comportamiento de un dispositivo en torno a un Punto de Trabajo (Q).

38 Modelos de circuito del diodo de unión PN Modelo Ideal: Modelo Simplificado: Modelo de segmentos lineales: V T V T r av

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40 Rectificador: Circuito capaz de convertir una señal alterna (que toma valores positivos y negativos) en una señal directa o unidireccional (sólo toma valores positivos o negativos pero no ambos).

41 Regulador: Circuito cuyo propósito es proporcionar una tensión de continua de valor constante a su salida. Esta tensión de salida ha de permanecer insensible frente a cambios en la fuente de señal y en la carga.

42 Limitador: Circuito empleado para eliminar en la salida una porción de la señal de entrada que se encuentre por encima, por debajo o situada fuera de dos niveles de referencia, sirviendo también como circuitos de protección contra sobretensiones

43 Puertas lógicas

44 In1 In2 V 0 In1 D In2 D2 Vo k In1 D1 In1 In2 V 0 In2 D2 Vo k 0 1 5V

45 APLICACIONES DE DIODOS EN LAS INDUSTRIAS Detectores reflexión de objeto Detectores de barrera

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47 APLICACIONES DE DIODOS Sensores de luz: Fotómetros Sensor de lluvia en vehículos Detectores de humo Turbidímetros Sensor de Color LED Fotodetector Objetivo LED azul LED verde LED rojo Fotodiodo LED

48 COMENTARIOS SOBRE CIRCUITOS Los diodos (y el resto de dispositivos electrónicos) son dispositivos no lineales. Cuidado, no se puede aplicar el principio de superposición! EJEMPLO TÍPICO: RECTIFICADOR V E t V E V S V S t V E V MAX R I D t V MAX V D

49 RECTA DE CARGA Y PUNTO DE FUNCIONAMIENTO CIRCUITO LINEAL R TH I D V TH V D V R TH TH I Característica del diodo PUNTO DE FUNCIONAMIENTO I D Característica del circuito lineal (RECTA DE CARGA) V D V TH V

50 Resumen Representación del componentes eléctricos en diagrama VI V I Abierto (R = ) I V V I Corto (R = 0) I V I V Resistencia (R) I V V I Batería I V V I Fuente Corriente I V

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52 Savant. C, Roden. M, Carpenter. G, DISEÑO ELECTRÓNICO, AddisonWesley Iberoamericana, 2010 Millman. J, Grabel. A, MICROELECTRÓNICA, (6ª Ed), Hispano Europea, 2012

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