Tema 3: COMPOETES O LIEALES: DIODOS Mª del Carmen Coya Párraga Fundamentos de Electrónica 1 Índice: 3.1) Introducción a los elementos de circuitos no lineales: Propiedades básicas. Análisis gráfico con un elemento no lineal. 3.2) El diodo: introducción a la física del componente. Diodo Zener. Diodo Schottky. Diodo Led. Diodo láser. 3.3) Circuito de diodo simple 3.4) Modelo del diodo para polarización directa. 3.5) Aplicaciones elementales de los diodos. Rectificación. Corte y limitación. Circuito de corte con dos elementos no lineales Rectificadores y limitadores de precisión. Fundamentos de Electrónica 2
Introducción a los elementos de circuitos no lineales Electrónica: basada en dispositivos no lineales ( AO,diodo, transistor). La característica v-i no es una recta. o puede ser aplicado el Principio de Superposición. o podemos obtener el equivalente de Thèvenin para un circuito que contenga uno o más elementos no lineales. Circuitos con elementos no lineales: no siempre pueden ser resueltos por métodos matemáticos directos: Modelos del dispositivo no lineal: zonas de operación lineales (Modelado por segmentos lineales). Método gráfico. Fundamentos de Electrónica 3 Introducción a los elementos de circuitos no lineales Análisis gráfico de un elemento de circuito no lineal Para circuitos con un solo dispositivo no lineal, ya que la LMK y LK pueden ser difíciles de aplicar debido a la complejidad de las características v-i de dicho componente no lineal. Método: Encontrar la recta de carga del circuito resistivo. Punto de trabajo será la intersección de dicha recta con la característica v-i del dispositivo no lineal. Fundamentos de Electrónica 4
Introducción a los elementos de circuitos no lineales Ejemplo de método gráfico: Sea un elemento con característica v-i: A( vs V is = 0 TR ) 2 v v s s V V TR TR i s V s Elemento no lineal Fundamentos de Electrónica 5 EL DIODO: Tipos de materiales según σ. Estructura de bandas. Semiconductores intrínsecos y extrínsecos. Procesos de conducción en un semiconductor: tipos de corrientes. La unión P. Sin polarización externa. Con polarización externa: directa e inversa. Curva característica. Ecuación v-i. Fundamentos de Electrónica 6
TIPOS DE MATERIALES E FUCIÓ DE LA CODUCCIÓ ELÉCTRICA Óxidos ylon.. Cuarzo Polietileno.. σ (Ω/cm) 10-18 10-15 10-12 10-9 10-6 10-3.10 0...10 3 10 6 10 9......10 26 Vidrio Madera.. Si, Ge, AsGa Grafito icr Ag, Cu, Fe.. aislantes semiconductores conductores Conductividad de algunos materiales (T=0K) Pb a 4ºK Fundamentos de Electrónica 7 ESTRUCTURA DE BADAS E C E V E n E E g B.C B.V B.C B.V 1 ev B.C B.V 3 ev B.C B.V Estructura de bandas típica a T=0 K. Metales Semiconductor Aislantes Diagrama de bandas de energía a 0 K. Fundamentos de Electrónica 8
SEMICODUCTOR ITRÍSECO:Semiconductor en estado puro y perfectamente cristalizado. (Si y Ge con Eg = 1,1 ev y 0,6 ev) n i = p = n n i = f ( T, Eg ) Inconveniente para aplicaciones prácticas, donde lo que se busca es un comportamiento estable frente a la temperatura SOLUCIÓ: DOPAJE. SEMICODUCTOR EXTRÍSECO: se introducen átomos de diferente valencia, dentro de la red del material semiconductor en estado puro. Conducción por impurezas. Tipo p. Tipo n. n = p A D Fundamentos de Electrónica 9 A T baja los enlaces se encuentran saturados. A T ambiente hay electrones libres () y los correspondientes huecos ( ). Fundamentos de Electrónica 10
Procesos de conducción en un semiconductor: tipos de corrientes Arrastre. e - Movimiento aleatorio de los electrones. e - E apli 0 Movimiento ordenado de los electrones bajo la acción de un campo eléctrico. Fundamentos de Electrónica 11 Procesos de conducción en un semiconductor: tipos de corrientes Difusión. t 1 = 0 s [e-] Si-n Si-p t 1 = 0s [e-] Distancia, x t 2 - ----- t 3 Distancia, x Esquema de la generación de una corriente de difusión al poner en contacto un semiconductor tipo n y otro tipo p. Se representa la concentración de electrones [e - ], frente a la distancia x Fundamentos de Electrónica 12
UIÓ P-: DIODOS SEMICODUCTORES P Unión pn sin polarización externa: E p p - - p(x) n(x) - Región - de Concentraciones antes de la unión Zonas neutras agotamiento 1µm Generación de la región de agotamiento. Sólo hay corriente en la unión!. I difusión campo eléctrico I arrastre equilibrio cuando se igualan Fundamentos de Electrónica 13 Unión pn con polarización externa. P e h I E ext e P e h I E inv ext e Polarización inversa Polarización directa V D VT p n = p n 0e Relacción de Bolztman que rige la inyección de V D portadores VT n n = n n 0e KT VT = 25 mv q a T ambiente Fundamentos de Electrónica 14
Característica voltaje-corriente de la unión P i D = I S (e v D / ηv T 1) i D (ma) v D inversa (V) v D directa (V) Tensión de ruptura i D inversa (µa) V T Fundamentos de Electrónica 15 Característica voltaje-corriente de la unión P v D voltaje aplicado al diodo i D corriente del diodo I S corriente de saturación=f(t,concentraciòn de portadores, área de unión...) 10-8 -10-14 : dispositivos discretos de Si; 10-16 : en un diodo de C.I. η coeficiente de emisión 1 (C.I o diodos discretos que operan con más de10 ma) 2 (diodos discretos de Si que operan hasta 10 ma) V T voltaje umbral(0.5 0.8 para el Si; 0.2 V para el Ge;0.9 1 V AsGa) Fundamentos de Electrónica 16
DIODOS ESPECIALES Diodo Zéner Diodo Schottky Diodo Led Diodo láser Fundamentos de Electrónica 17