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Temario 6. Diodo 7. El transistor 8. Magnetismo 9. Inducción electromagnética 10. Circuitos de corriente alterna 11. Ondas electromagnéticas 12. Aplicaciones ópticas Trabajos Diodo 1. Diodo Zener 2. Diodo LED 3. Fotodiodo 4. Diodo túnel 5. Diodo Schottky El transistor 6. El JFET, fundamentos y aplicaciones 7. El MOSFET, fundamentos 8. El MOSFET, aplicaciones: circuitos lógicos, memorias, CCDs, TFTs, ... Grupos 2-4 alumnos [email protected] Presentación: 31 de marzo Revisión: 30 de abril 30 % nota segundo parcial Materia examen: 2 preguntas Tema 6: El diodo Tema 6. El diodo Objetivos: Comprender cualitativamente los fundamentos físicos de la unión p-n en equilibrio y polarizada. Conocer la curva característica I-V de los diodos. Saber utilizar las distintas aproximaciones del diodo para resolver circuitos con diodos. Conocer algunos diodos especiales: Zener, LED y Schottky. Tema 6. El diodo 6.1 La unión p-n en equilibrio. 6.2 Polarización del diodo. 6.3 Curva característica del diodo. 6.4 Diodos especiales: Zener, Schottky, LED. 6.5 Aplicaciones: limitador de tensión, rectificador, puertas lógicas. Introducción Rectificación de corriente alterna: puente de diodos. 0 V s Vm T t 0 V e - Vm T t T/2 T/2 R D 1 D 2 D 4 D 3 A B C D V s Ve Señal de entrada Puente de diodos Señal de salida

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Temario

6. Diodo

7. El transistor

8. Magnetismo

9. Inducción electromagnética

10. Circuitos de corriente alterna

11. Ondas electromagnéticas

12. Aplicaciones ópticas

Trabajos

Diodo

1. Diodo Zener

2. Diodo LED

3. Fotodiodo

4. Diodo túnel

5. Diodo Schottky

El transistor

6. El JFET, fundamentos y aplicaciones

7. El MOSFET, fundamentos

8. El MOSFET, aplicaciones: circuitos lógicos, memorias, CCDs, TFTs, ...

Grupos 2-4 [email protected]

Presentación: 31 de marzoRevisión: 30 de abril 30 % nota segundo parcial

Materia examen: 2 preguntas

Tema 6: El diodoTema 6. El diodo

Objetivos:– Comprender cualitativamente los fundamentos físicos de la

unión p-n en equilibrio y polarizada.

– Conocer la curva característica I-V de los diodos.

– Saber utilizar las distintas aproximaciones del diodo para resolver circuitos con diodos.

– Conocer algunos diodos especiales: Zener, LED y Schottky.

Tema 6. El diodo

6.1 La unión p-n en equilibrio.

6.2 Polarización del diodo.

6.3 Curva característica del diodo.

6.4 Diodos especiales: Zener, Schottky, LED.

6.5 Aplicaciones: limitador de tensión, rectificador, puertas lógicas.

Introducción

Rectificación de corriente alterna: puente de diodos.

0

Vs Vm

T t0

Ve

-Vm

T tT/2 T/2R

D1 D2

D4D3

A

B

C DVs

Ve

Señal de entrada Puente de diodos Señal de salida

Page 2: < 1personales.upv.es/jogomez/trans/06-diodo.pdf · 3 / 3 /& 3 / / / /& / / 3 & & edef d f e" e " . : 3 / 3 /& 3 / / / /& / / edef d f / e $ / (e / & $ 3 3 $ 3 $

Introducción

Rectificación de corriente alterna: puente de diodos.

0

V s V m

T t 0

V e

- V m

T t T /2 T /2

D 1 D 2

D 4 D 3

A

B

C D V s

V e

Señal de entrada Puente de diodos + condensador

Señal de salida

Introducción: corriente

Desplazamiento:

Difusión:

Densidad de corriente total:

Jpdes=peμp

E Jndes=ne μn

E

Jpdif=−eDp

∇p Jndif

=eDn∇n

J=epμ pnμn E−eDp

∇ peDn∇n

La unión p-n en equilibrio6.1

Banda deconducción

Banda prohibida

Banda devalencia

N

Ev

P

Ec

E (eV)

Ev

Ec0

1

-1

-2Escalade energíaaproximada

N

Ev

Ec

P

Ec

Ev

La unión p-n en equilibrio6.1

Huecos

ElectronesE (eV)

0

1

-1

-2Escalade energíaaproximada

N

Ev

Ec

P

Ec

Ev

La unión p-n en equilibrio6.1

E (eV)

0

1

-1

-2Escalade energíaaproximada

Jpdif

=−eDp∇p

Jndif

=eDn∇n N

Ev

Ec

P

Ec

Ev

La unión p-n en equilibrio6.1

E (eV)

0

1

-1

-2Escalade energíaaproximada

Jpdif

=−eDp∇p

Jndif

=eDn∇n

- +

Jpdes=peμp

E

Jndes=ne μn

E

E

Page 3: < 1personales.upv.es/jogomez/trans/06-diodo.pdf · 3 / 3 /& 3 / / / /& / / 3 & & edef d f e" e " . : 3 / 3 /& 3 / / / /& / / edef d f / e $ / (e / & $ 3 3 $ 3 $

N

Ev

Ec

P

Ec

Ev

La unión p-n en equilibrio6.1

E (eV)

0

1

-1

-2Escalade energíaaproximada

E=qV=−eV

E=qV=eV E

V0

V

e=1,6⋅10−19

- +Ev

Ec

Ec

Ev

La unión p-n en equilibrio6.1

E (eV)

0

1

-1

-2Escalade energíaaproximada

E=qV=−eV

E=qV=eV

NP

E

V0

V

E=qV 0=−eV 0

e=1,6⋅10−19

- +

Ev

Ec

Ec

Ev

La unión p-n en equilibrio6.1

E (eV)

0

1

-1

-2Escalade energíaaproximada

E=qV=−eV

E=qV=eV

NP

E

V0

V

E=qV 0=−eV 0

e=1,6⋅10−19

- +Ev

Ec

Ec

Ev

La unión p-n en equilibrio6.1

E (eV)

0

1

-1

-2Escalade energíaaproximada

E=qV=−eV

E=qV=eV

NP

E

E=qV 0=−eV 0

e=1,6⋅10−19

ρq N D

- q N A

-0

+

- +

Ev

Ec

Ec

Ev

La unión p-n en equilibrio6.1

E (eV)

0

1

-1

-2Escalade energíaaproximada

E=qV=−eV

E=qV=eV

NP

E

E=qV 0=−eV 0

e=1,6⋅10−19

E

- +

Ec

Ev

La unión p-n en equilibrio6.1

E (eV)

0

1

-1

-2Escalade energíaaproximada

NP

E

V0

V

E=qV 0=−eV 0

Jpdif

=−eDp∇p

Jpdes=peμp

E

Jp=pμpeE x−eDpdpdx

=0

−dVdx

=Ex=Dp

pp

dpdx

−dV=V T

dpp

−∫p

ndV=V T∫p

n dpp

np −V n−V p=V T lnpn

pp

V 0=V n−V p=V T lnpp

pn

pp=pneV 0/V T

VT = 0,026 V (300 K)

e=1,6⋅10−19

- +

Page 4: < 1personales.upv.es/jogomez/trans/06-diodo.pdf · 3 / 3 /& 3 / / / /& / / 3 & & edef d f e" e " . : 3 / 3 /& 3 / / / /& / / edef d f / e $ / (e / & $ 3 3 $ 3 $

Ec

Ev

La unión p-n en equilibrio6.1

E (eV)

0

1

-1

-2

NP

E

E=qV 0=−eV 0

Jpdif

=−eDp∇p

Jpdes=peμp

E

np-2

Escalade energíaaproximada

V 0=V T lnpp

pn

V 0=V T lnN A ND

n i2

pp≈N A , np≈n i

2

N A

nn≈ND , pn≈ni

2

ND

pp≈N A nn≈ND

pnnp

VT = 0,026 V (300 K)

e=1,6⋅10−19

- +

Ec

Ev

La unión p-n en equilibrio6.1

E (eV)

0

1

-1

-2Escalade energíaaproximada

NP

E

V0

V

E=qV 0=−eV 0

Jn=nenE xeDn

dndx

−dVdx

=Ex=−Dn

nn

dndx

dV=V T

dnn

∫p

ndV=V T∫p

n dnn

np V n−V p=V T lnnn

np

V 0=V n−V p=−V T lnnp

nn

Jndif

=eDn∇n

Jndes=ne μn

E

np=nne−V 0/V T

VT = 0,026 V (300 K)

e=1,6⋅10−19

- +

Ec

Ev

La unión p-n en equilibrio6.1

E (eV)

0

1

-1

-2

NP

E

E=qV 0=−eV 0

np

pp≈N A , np≈n i

2

N A

nn≈ND , pn≈ni

2

ND

-2Escalade energíaaproximada

V 0=−V T lnnp

nn

V 0=V T lnN A ND

n i2

Jndif

=eDn∇n

Jndes=ne μn

E

pp≈N A nn≈ND

pnnp

VT = 0,026 V (300 K)

e=1,6⋅10−19

- +

Ejemplo 10-16.1

Calcula la diferencia de potencial en la unión pn de un diodo de germanio, dopado con antimonio en una concentración de 4·1022 m-3 en su zona n, y con indio en una concentración de 3·1022 m-3 en su zona p, a 300 K.

V 0=V n−V p=V T lnNAND

ni2

=0,026⋅ln 3⋅1022⋅4⋅1022

2,36⋅1019 2=0,379 V

La unión p-n en equilibrio6.1

La unión p-n: efecto fotovoltaico

Ec

Ev

E

NP

V0

V

Jdes

Jdif

- +

La unión p-n en equilibrio6.1

La unión p-n: efecto fotovoltaico

Ec

Ev

E

+

NP

V0

V

-

- +

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La unión p-n en equilibrio6.1

La unión p-n: efecto fotovoltaico

E

+

NP

V0

V

-

Ec

Ev

I- +

Polarización del diodo6.2

Ip

n

p

n

Polarizacióndirecta

Polarizacióninversa

+- + -

Polarización directa6.2

NP

E

V0

V

E=qV 0=−eV 0

VD

I- +

Equilibrio:

Polarización directa6.2

NP

E=q V 0−V D =−eV 0−V D

+ -

E

VD

I

VV0 - VD

VD<V

0

- +

Polarización directa6.2

NP

+ -

V

VD

I

E=q V 0−V D =0

VD=V

0

0

Polarización directa6.2

NP

+ -

V

VD

IE

E=q V 0−V D =−eV 0−V D 0

V0 - VD

VD>V

0

+ -

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Polarización inversa6.2

NP

E

V0

V

E=qV 0=−eV 0

VI

I- +

Equilibrio:

Polarización inversa6.2

E

V0+VI

V

E=qV 0=−eV 0V I

VI

I

- +V

I NP

Portadores minoritarios

- +

Polarización inversa6.2

NP

E

V0+VI

V

E=qV 0=−eV 0V I

VI

I

- +V

I

Portadores minoritarios

- +

Polarización inversa6.2

NP

E

V0+VI

V

E=qV 0=−eV 0V I

VI

I

- +V

I

Portadores minoritarios

- +

Curva característicadel diodo

6.3

Polarización directa:

Polarización inversa:

I0 corriente máxima en

polarización inversa (µA)

IV

I

V-0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

V(V)

I (m

A)

Vu

Tensiónumbral

I=I0eV

ηVT−1

I0 (A)-0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

V(V)

I (m

A)

Diodo rectificador:1a aproximación

6.3

diodoideal

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-0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

V(V)

I (m

A)

V = Vu

V = ε0

Diodo rectificador:2a aproximación

6.3

≃ ε0

Vu Tensión umbral

-0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

V(V)

I (m

A)

Diodo rectificador:3a aproximación

6.3

Vu Tensión umbral

V = Vu + Ir d

V = ε0 + Ird

ε0r d

Aproximación lineal

-0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

V(V)

I (m

A)

Recta de cargaPunto de trabajo Q

6.3

i

V SR

V d

Puntos de corte con los ejes:

Al punto de corte con el eje Vd se le llama "Corte" y al punto de corte con el eje I se le llama "Saturación".

V S

R

V S

Q

V d=0 ⇒ I=V S

R

I=0 ⇒ V d=V S

V S=V dIR

I=V S

R−

V d

R

I=I0eV d / V T −1

-0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

V(V)

I (m

A)

Recta de cargaPunto de trabajo Q

6.3

i

V S=V dIR

I=V S

R−

V d

R

12

V d

Puntos de corte con los ejes:

0,72 V

V S

Q

V d=0 ⇒ I=V S

R

I=0 ⇒ V d=V S

=0,7212

=60mA

=0,72

0,50 0,52 0,54 0,56 0,58 0,60 0,62 0,64 0,66 0,68 0,70 0,72 0,740

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

V(V)

I (m

A)

Recta de cargaPunto de trabajo Q

6.3

i

V S=V dIR

I=V S

R−

V d

R

12

V d

Puntos de corte con los ejes:

V S

R=60mA

Q

0,72 V

0,664 V

4,37 mA

Recta de carga:

V d=0,664 V I=4,37 mA

V S

Puntos de corte con los ejes:

=0,7212

=60mA

=0,72

V d=0 ⇒ I=V S

R

I=0 ⇒ V d=V S

Recta de cargaPunto de trabajo Q

6.3

i

12

V d

0,72 V

Primera aproximación:

V d=0 I=0,7212

=60 mA

Segunda aproximación:

V d=0,68 I=0,72−0,6812

=3,33 mA

Tercera aproximación:

V d=0,68 I=0,72−0,68122,27

=2,8 mA

Recta de carga:

V d=0,664 V I=4,37 mA

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Parámetros del diodo

0,50 0,52 0,54 0,56 0,58 0,60 0,62 0,64 0,66 0,68 0,70 0,72 0,740

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

V(V)

I (m

A)

V d=0,68 V

V

I

r=V I

=0,05 V22mA

=2,27

Influencia de la temperatura

6.3

-0.1

0

0.1

0.2

-70 -20 30 80V (mV)

I (m

A)

300 K310 K320 K

Ejemplo 10-26.3

Calcula la intensidad que circula por el diodo de la figura, utilizando las tres aproximaciones del diodo.

35 kΩ

0,7 V 0,23 Ω

10 V

i i= 1035⋅103

=0,286⋅10−3 A=0,286 mA

10 V

i

35 kΩ

0,7 V 0,23 Ω

i=10−0,735⋅103

=0,265 mA

i= 10−0,735⋅103

0,23=0,2657 mA

Ejemplo 10-36.3

Calcula la intensidad que circula por el diodo de la figura.

70 kΩ

10 kΩ30 kΩ

0,7 V

0,5 Ω20 V

70 kΩ

10 kΩ

30 kΩ

0,7 V

0,5 Ω

20 V J 2

20−0,7= 80 −10

−10 40,005 I1I2

I2=∣80 20−10 −0,7∣

∣80 −10−10 40 ,005∣

=46,4 μA

Ejercicio 46.3

Calcula la corriente que circula por el circuito de la figura, utilizando las tres aproximaciones para el diodo:a) Diodo ideal.b) Segunda aproximación.c) Tercera aproximación.La tensión de codo del diodo es de 0,7 V, y su resistencia de 0,23 Ω.

Ωk1 5 V

I= 51000

=0,005 A=5 mAa)

I=5−0,71000

=0,0043 A=4,3 mA

I= 5−0,710000,23

=4,299⋅10−3=4,299 mA

b)

c)

Ωk1 5 V

I

Ωk1 5 V

I

0,7V

Ω23,0

Ωk1 5 V

I

0,7V

Ejercicio 76.3

Calcula la corriente que circula por el diodo de la figura, sabiendo que se trata de un diodo de Germanio cuya tensión de codo o tensión umbral es de 0,3 V.

12V30 kΩ

10 kΩ5 kΩ

12−0,3=40 −10

−10 15 I1I2 12V

30 kΩ

10 kΩ 5 kΩ

0,3V

I1

I2

I2=∣40 12−10 −0,3∣∣40 −10−10 15 ∣

=−12120600−100

=108500

=27125

=0,216 mA

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Aplicaciones del diodo6.5

Rectificación de media onda:

t

Ve

~ Vsalidat

Vs

Ve R

Aplicaciones del diodo6.5

~

~

R

t

Vs

Ve

Ve

A

B

D C

Vs Vs

Puente de diodos: rectificación de onda completa

Aplicaciones del diodo6.5

Puente de diodos: rectificación de onda completa

t

V

R

~

~ A

B

D C

~

~

R

t

V

A

B

C D

t

V

Tensión a la salida de un puente de diodos con condensador

Diodo Zener6.4

Curva característica de un diodo Zener

-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2

-100 -50 0 50 100V (mV)

I (m

A) Vz

Vz Tensión Zener

Diodo Zener6.4

Modelización del diodo Zener en inversa:

Curva característica de un diodo Zener

-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2

-100 -50 0 50 100V (mV)

I (m

A)

Vz

Vz Tensión Zener

R

V0 Vs< Vz1

Vz

R

V0 Vs = Vz2

1

2

Diodo Zener6.5

Aplicación del diodo Zener: mantener constante un valor de la tensión.

t

V

t

VVs = Vz

VzV0

Vs

Vrizada

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Diodo Schottky6.1

Banda deconducción

Banda prohibida

Banda devalencia

N

Ev

conductor

Ec

Diodo Schottky6.1

N

Ev

conductor

Ec

Ev

Ec

Diodo Schottky6.1

N

Ev

conductor

Ec

Ev

Ec

Diodo Schottky6.1

V0

V

N

Ev

conductor

Ec

Ev

EcJn

des=ne μnE

E- +

Diodo Schottky6.1

Ev

conductor

Ec

Ev

Ec

V0

E=qV 0=−eV 0

N

Jndes=ne μn

E

V

E- +

Diodo Schottky: directa6.1

Ev

conductor

Ec

V0

E=q V 0−vD =−eV 0−vD

N

Jndes=ne μn

E

V

E

vD

- +

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Diodo Schottky: inversa6.1

Ev

conductor

Ec

V0

E=q V 0V I =−eV 0V I

N

Jndes=ne μn

E

V

E

v I

- +

Diodo Led6.4

LED Light Emitting DiodeDiode

Polarización directa6.2

NP

E=q V 0−V D =−eV 0−V D

+ -

- +E

Jdes

Jdif

VV0 - VD

VD

Diodo Led6.4

P

N

+

-

ΔE=hfh = constante de Planck

6,6·10-34Js

Diodo Led6.4

Material DopanteLong. de onda (nm)

Color

GaAs Zn 900 IR

GaAs Si 900 – 1020 IR

GaP N 570 Verde

GaP N, N 590 Amarillo

GaP Zn, O 700 Rojo

GaAs0.6P0.4 -- 650 Rojo

GaAs0.35P0.65 N 632 Naranja

GaAs0.15P0.85 N 589 Amarillo

SiC -- 490 Azul

ZnSe -- 490 Azul

λ=cf=

chΔEλ longitud de onda

Diodo Led6.4

V (V)

I

1 2 3

Cátodo Ánodo

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Diodo Led6.4

diodo rectificadordiodo rectificadordiodo LEDdiodo LED

-2E-06

0

2E-06

4E-06 I(

A)

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

-0.5 -0.3 -0.1 0.1 0.3 0.5 V(v)

Io

Vc

fotón

ΔE=Eg e=3,2·10−19 J

λ=chΔE

=3 ·108ms−1·6,6·10−34 Js

3,2·10−19 J=619nm

2V≤V c≤3V

EgAsGaP

≃2eV

Ejercicio 12

Ve

R=2kΩ

Vs

T

20V

0

2T

Ve

t

R=2kΩ

VsVe20 V

0

2T

Ve

t

- +

0 V0

2T

Vs

t

+

Ejercicio 12

Ve

R=2kΩ

Vs

T

20V

0

2T

Ve

t

R=2kΩ

VsVe

20 V

T2T

Ve

t

- +

-

20 V

T2T

Vs

tI

Ejercicio 12

Ve

R=2kΩ

Vs

T

20V

0

2T

Ve

t

0

2T T

Vs

20V

Ejercicio 12

Ve

R=2kΩ

Vs

T

20V

0

2T

Ve

t

2T T

20-0,7=19,3V

0

Vs

Ejercicio 14

R

D1D2

D4D3

A

B

CDVs

Ve

T

20V

0

2T

Ve

t

+

Vs

_

Ve _ +0

Ve Vm

0

Vs Vm

T/2 T/2

A

B

C D

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Ejercicio 14

R

D1D2

D4D3

A

B

CDVs

Ve

T

20V

0

2T

Ve

t

+

Vs

_

Ve

_ +0

Vs Vm

T t0

Ve

-Vm

T tT/2 T/2

A

B

C D

Ejercicio 14

R

D1D2

D4D3

A

B

CDVs

Ve

T

20V

0

2T

Ve

t

0

Vs

(Vm – 1.4) (V)

T tT/2