Temario6. Diodo7. El transistor8. Magnetismo 9. Inducción electromagnética 10. Circuitos de corriente alterna 11. Ondas electromagnéticas 12. Aplicaciones ópticas

TrabajosDiodo

1. Diodo Zener2. Diodo LED3. Fotodiodo4. Diodo túnel5. Diodo Schottky

El transistor

6. El JFET, fundamentos y aplicaciones7. El MOSFET, fundamentos8. El MOSFET, aplicaciones: circuitos lógicos, memorias, CCDs, TFTs, ...

Grupos 2-4 alumnosjogomez@fis.upv.es

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

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 Jn

des=ne μn E

Jpdif=−eDp ∇p Jn

dif=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=peμpE

Jndes=ne μnE

E

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=Dppp

dpdx

−dV=V Tdpp

−∫pndV=V T∫p

n dpp

np −V n−V p=V T ln pnppV 0=V n−V p=V T ln

pppn

pp=pneV 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

Jpdif=−eDp ∇p

Jpdes=peμp E

np-2

Escalade energíaaproximada

V 0=V T lnpppn

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

pnnpVT = 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 xeDndndx

−dVdx

=Ex=−Dnnn

dndx

dV=V Tdnn

∫pndV=V T∫p

n dnn

np V n−V p=V T ln nnnpV 0=V n−V p=−V T ln

npnn

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 lnnpnn

V 0=V T lnN A ND

n i2

Jndif=eDn ∇n

Jndes=ne μnE

pp≈N A nn≈ND

pnnpVT = 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

EvE

NP

V0

V

JdesJdif

- +

La unión p-n en equilibrio6.1

La unión p-n: efecto fotovoltaico

Ec

EvE+

NP

V0

V

-

- +

La unión p-n en equilibrio6.1

La unión p-n: efecto fotovoltaico

E+

NP

V0

V

-

Ec

Ev

I- +

Polarización del diodo6.2

Ipn

pn

Polarizacióndirecta

Polarizacióninversa

+- + -

Polarización directa6.2

NP

E

V0

V

E=qV 0=−eV 0

VD

I- +

Equilibrio:

Polarización directa6.2

NPE=q V 0−V D =−eV 0−V D

+ -

E

VD

I

VV0 - VD

VDV0

+ -

Polarización inversa6.2

NP

E

V0

V

E=qV 0=−eV 0

VI

I- +

Equilibrio:

Polarización inversa6.2

E

V0+VIV

E=qV 0=−eV 0V I

VI

I

- +V

I NP

Portadores minoritarios

- +

Polarización inversa6.2

NP

E

V0+VIV

E=qV 0=−eV 0V I

VI

I

- +V

I

Portadores minoritarios

- +

Polarización inversa6.2

NP

E

V0+VIV

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

-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

ε0 r dAproximación 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 S R

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 SR

V S

Q

V d=0 ⇒ I=V SR

I=0 ⇒ V d=V S

V S=V dIR

I=V SR

−V dR

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 SR

−V dR

12

V d

Puntos de corte con los ejes:

0,72 V

V S

Q

V d=0 ⇒ I=V SR

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 SR

−V dR

12

V d

Puntos de corte con los ejes:

V SR

=60mA

Q

0,72 V

0,664 V

4,37 mA

Recta de carga:V d=0,664 V I=4,37 mA

V SPuntos de corte con los ejes:

=0,7212 =60mA

=0,72

V d=0 ⇒ I=V SR

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=0,72−0,68

12 =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

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⋅1030,23

=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

Aplicaciones del diodo6.5

Rectificación de media onda:

t

Ve~ Vsalida

t

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

VzV0Vs

Vrizada

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

EcJndes=ne μnE

E- +

Diodo Schottky6.1

Ev

conductor

Ec

Ev

Ec

V0

E=qV 0=−eV 0

N

Jndes=ne μnE

V

E- +

Diodo Schottky: directa6.1

Ev

conductor

Ec

V0

E=q V 0−vD =−eV 0−vD

N

Jndes=ne μnE

V

E

vD

- +

Diodo Schottky: inversa6.1

Ev

conductor

Ec

V0

E=q V 0V I =−eV 0V I

N

Jndes=ne μnE

V

E

v I

- +

Diodo Led6.4

LED Light Emitting DiodeDiode

Polarización directa6.2

NPE=q V 0−V D =−eV 0−V D

+ -

- +E

JdesJdif

VV0 - VD

VD

Diodo Led6.4

P

N

+

-

ΔE=hf h = constante de Planck6,6·10-34Js

Diodo Led6.4

Material Dopante Long. de onda (nm) Color

GaAs Zn 900 IRGaAs Si 900 – 1020 IRGaP N 570 VerdeGaP N, N 590 AmarilloGaP Zn, O 700 RojoGaAs0.6P0.4 -- 650 RojoGaAs0.35P0.65 N 632 NaranjaGaAs0.15P0.85 N 589 AmarilloSiC -- 490 AzulZnSe -- 490 Azul

λ=cf= ch

ΔEλ longitud de onda

Diodo Led6.4

V (V)

I

1 2 3

Cátodo Ánodo

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)

IoVc

fotónΔE=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≤3VEgAsGaP ≃2eV

Ejercicio 12

Ve

R=2kΩ

Vs

T

20V

02T

Ve

t

R=2kΩ

VsVe20 V

02T

Ve

t

- +

0 V0

2T

Vs

t

+

Ejercicio 12

Ve

R=2kΩ

Vs

T

20V

02T

Ve

t

R=2kΩ

VsVe

20 V

T2T

Ve

t

- +-

20 V

T2T

Vs

tI

Ejercicio 12

Ve

R=2kΩ

Vs

T

20V

02T

Ve

t

0

2T T

Vs

20V

Ejercicio 12

Ve

R=2kΩ

Vs

T

20V

02T

Ve

t

2T T

20-0,7=19,3V

0

Vs

Ejercicio 14

R

D1 D2

D4D3

A

B

CDVs

VeT

20V

02T

Ve

t

+

Vs_

Ve _ +0

Ve Vm

0

Vs Vm

T/2 T/2

A

B

C D

Ejercicio 14

R

D1 D2

D4D3

A

B

CDVs

VeT

20V

02T

Ve

t

+

Vs

_

Ve_ +

0

Vs Vm

T t0

Ve

-VmT tT/2 T/2

A

B

C D

Ejercicio 14

R

D1 D2

D4D3

A

B

CDVs

VeT

20V

02T

Ve

t

0

Vs(Vm – 1.4) (V)

T tT/2