Descripción de características y aplicaciones de los diodos semiconductores

1. ELECTRÓNICA
Componentes Electrónicos
El diodo

2. Componentes electrónicos: El diodo
• CONTENIDOS:
• Introducción: representación de componentes eléctricos en
diagrama V-I
• Características eléctricas de un diodo semiconductor
 Característica real
 Linealización de la característica de un diodo
• Interpretación de los datos de un catálogo
• Diodos especiales
• Asociación de diodos
• Aplicaciones

3. Introducción: Representación del componentes eléctricos en diagrama V-I
+
-
V
I I
V
Corto
(R = 0)
+
-
V
I I
V
Abierto
(R = ∞)
+
-
V
I I
V
Batería
+
-
I I
V
Resistencia
(R)
V
I
+
-
V
V
Fuente
Corriente
I

4. 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
N
I
V
¡¡ PRESENTA UN
COMPORTAMIENTO
NO LINEAL !!
ANÉCDOTA
Un símil hidráulico podría ser una válvula anti-retorno, permite pasar el agua
(corriente) en un único sentido.

5. Funcionamiento de una válvula anti-retorno
h1
h2
h1 - h2
Caudal

6. Introducción a la física de estado sólido: semiconductores
Semiconductor extrínseco: TIPO N
Impurezas grupo V
300ºK
Electrones libres Átomos de impurezas ionizados
Los portadores de carga en un semiconductor tipo N
son electrones libres
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+

7. Introducción a la física de estado sólido: semiconductores
Semiconductor extrínseco: TIPO P
300ºK
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Huecos libres Átomos de impurezas ionizados
Los portadores de carga en un semiconductor tipo P
son los huecos.
Actúan como portadores de carga positiva.

8. La unión P-N
La unión P-N en equilibrio
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
- +
+
+
+
+
+
+ + +
+
+
+
+
+
+
+
Semiconductor tipo P Semiconductor tipo N

9. La unión P-N
La unión P-N en equilibrio
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
- +
-
-
+
+
+ +
Semiconductor tipo P Semiconductor tipo N
- +
Zona de transición
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.

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

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

12. La unión P-N
La unión P-N polarizada en directa
P N
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
- +
+
+ +
-
-
-
-
+
+
+
+
+
Concentración de huecos Concentración de electrones
+
La recombinación electrón-hueco hace que la concentración de electrones
en la zona P disminuya al alejarse de la unión.

13. La unión P-N
Conclusiones:
Aplicando tensión inversa no hay conducción de corriente
Al aplicar tensión directa en la unión es posible la circulación
de corriente eléctrica
P N
DIODO SEMICONDUCTOR

14. ánodo cátodo
p n
A K
Símbolo
i [mA]
Ge Si
IS = Corriente Saturación Inversa
K = Cte. Boltzman
VD = Tensión diodo
q = carga del electrón
T = temperatura (ºK)
ID = Corriente diodo
Silicio
Germanio
DIODO REAL

 


 
V q
   


K T 1
D S
D
I I e
V [Volt.]
0
1
-0.25 0.25
0.5

15. Ge: mejor en conducción
Si: mejor en bloqueo
Ge Si
V [Volt.]
0
i [mA]
1
-0.25 0.25
0.5
30
i [mA]
Ge
Si
-4 0 1
V [Volt.]
DIODO REAL (Distintas escalas)
-0.5 0
-0.8
i [A]
V [Volt.]
-0.5 0
-10
i [pA]
V [Volt.]
Ge
Si

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

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

18. DIODO: Parámetros facilitados por fabricantes
VR = 1000V Tensión inversa máxima
IOMAX (AV)= 1A Corriente directa máxima
VF = 1V Caída de Tensión directa
IR = 50 nA Corriente inversa
VR = 100V Tensión inversa máxima
IOMAX (AV)= 150mA Corriente directa máxima
VF = 1V Caída de Tensión directa
IR = 25 nA Corriente inversa
Vd
id
iS
VR
IOmax
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.

19. DIODO: Parámetros facilitados por fabricantes
Tiempo de recuperación inversa
+
iS
UE R
UE
Baja frecuencia
iS
Alta frecuencia
trr = tiempo de recuperación inversa
A alta frecuencia se aprecia un intervalo en el cual el diodo conduce
corriente inversa.

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

21. DIODOS ESPECIALES
Diodo LED (LED diode) Diodo emisor de Luz = Light Emitter Diode
El semiconductor es un compuesto III-V (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

22. DIODOS ESPECIALES
Fotodiodos (Photodiode)
i
0
V
iopt
Los diodos basados en compuestos III-V, presentan
una corriente de fugas proporcional a la luz incidente
(siendo sensibles a una determinada longitud de onda).
Estos fotodiodos se usan en el tercer cuadrante.
Siendo su aplicaciones principales:
Sensores de luz (fotómetros)
Comunicaciones
COMENTARIO
Los diodos normales presentan variaciones en la corriente
de fugas proporcionales a la Temperatura y pueden ser
usados como sensores térmicos
i
0
V
T1
T2>T1
El modelo puede ser una fuente de
corriente dependiente de la luz o de
la temperatura según el caso
I = f(T)

23. DIODOS ESPECIALES
Células solares (Solar Cell)
i
V V CA
iCC
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.
Paneles de células
solares
Zona
uso

24. DIODOS ESPECIALES
Diodo Schottky (Schottky diode)
•Unión Metal-semiconductor N. Produce 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

25. ASOCIACIÓN DE DIODOS
DISPLAY
Diodo de alta tensión
(Diodos en serie)
Puente rectificador
+
-
+
-
Monofásico
Trifásico

26. APLICACIONES DE DIODOS
Detectores reflexión de objeto
Detectores de barrera

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

28. COMENTARIOS SOBRE CIRCUITOS
Los diodos (y el resto de dispositivos electrónicos) son dispositivos
no lineales.
¡Cuidado, no se puede aplicar el principio de superposición!
VE
VS
VE
VMAX
R
VMAX
EJEMPLO TÍPICO:
RECTIFICADOR
+
-
ID
VD
VE
t
t
VS
t

29. TH
R
TH
V
Característica
del diodo
Característica del
circuito lineal
(RECTA DE CARGA)
TH V
PUNTO DE
FUNCIONAMIENTO
I
V
RECTA DE CARGA Y PUNTO DE FUNCIONAMIENTO
+
-
ID
RTH
CIRCUITO
LINEAL
V VD TH
ID
VD