apuntes de diodos

5/14/2018 Apuntes de diodos - slidepdf.com

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Para valores de positivos, el primer término de la ecuación

general crecerá de for ma muy r ápida y sobrepasará el efecto

contr ario del segundo tér mino. El resultado de esto es que

para valores positivos de , ser á positiva y crecerá a un

ritmo equivalente de que aparece en la figura 1.20.

Para el caso cuando 0 , la ecuación anterior se con-

vierte en 1 1 1 0 como aparece en

la figura 1-19. Para el caso de valores negativos de , el

primer término de la ecuación rápidamente caerá hacia niveles

inferiores de con lo que se obtiene: , lo cual se

representa con la línea horizontal de la figur a 1-19, La

discontinuidad par a la condición 0 aparece de esa forma en la gráfica debido al cambio

dramático de escala de mA a µA.

Observe en la figura 1-19 que el dispositivo comercialmente disponible tiene sus car acterísticas

desplazadas hacia la derecha con una magnitud de algunos décimos de volt. Esto se debe a la

resistencia interna del "cuerpo" del diodo y a la resistencia externa del "contacto" del mismo. Cada

una de éstas r esistencias contribuye a obtener un voltaje adicional con el mismo nivel de corriente



como lo determina la ley de Ohm . Con el tiempo, y a medida que los métodos de

fabricación mejoren, esta diferencia será menor y las caracter ísticas reales se aproximarán a las de la

ecuación general.

Es importante prestar atención al cambio en la escala del eje vertical y el horizontal. Par a valores

positivos de la escala se encuentra en miliamperes y la escala bajo el eje en microamperes (o

posiblemente en nanoamperes). Para el caso de , la escala para los valores positivos se encuentra

en décimos de volt y para los valores negativos en decenas del mismo.

A simple vista, la ecuación general podría parecer compleja y alguien podría temer que su utilización

sea necesaria para todas las aplicaciones subsiguientes del diodo; sin embargo. posteriormente en

esta sección se realizarán varias aproximaciones, que evitarán el uso de esta ecuación, y nos

facilitarán una solución con un mínimo de dificultad matemática.

Antes de abandonar el tema del estado de polarización

directa, se repite en la figura 1.21 la situación de

conductividad (estado "encendido") con las polaridades

requeridas y la dirección del flujo de portadores mayoritar ios

resultante. Observe en particular la forma en que la dirección

de la conducción es la misma que la que indica la flecha del

símbolo (según se mostró para el diodo ideal).

Región Zener A pesar de que la escala utilizada en la figura 1.19 se

encuentra en decenas de volts para la región negativa, existe

un punto donde al aplicar un exceso mayor de volta je se ocasiona un cambio drástico en las

car acterísticas, como se muestra en la figura 1.22. En este punto, la cor r iente se incrementa a un

ritmo muy rápido con una dirección opuesta a la que tiene la región de voltaje positivo. El potencial de

polarización inver sa que provoca este cambio dramático de las características del diodo se denomina

potencial Zener y se le asigna el símbolo .

A medida que el voltaje a través del diodo se incrementa sobre la región de polarización inversa,

también se incrementa la velocidad de los portadores minoritarios que son los responsables de la

corriente de saturación inversa . En algunas ocasiones, su velocidad y u energía cinética asociada

serán lo suficientemente grandes como para liberar portadores adicionales mediante

colisiones con estructuras atómicas que en otro caso serían estables. Esto es, cuando los electrones

de valencia absorban tanta energía como para abandonar su átomo, se provocará un proceso de



ionización. Estos portadores adicionales pueden entonces apoyar al proceso de ionización al punto

donde se establezca un alta corriente de avalancha y se determine la región de ruptura en

avalancha.

La región de avalancha (

) se puede acercar al eje vertical mediante el incremento en los niveles de

dopado tanto para el material tipo n como para el tipo p. Sin embargo, a medida que disminuye a

niveles muy bajos, como -5 V, existe otro mecanismo llamado ruptura Zener , el cual contribuirá al

cambio severo en la característica. Esto sucede debido a que existe un campo eléctrico fuerte en la

región de unión que es capaz de romper las fuerzas internas de enlace del átomo y "generar"

portadores. A pesar de que el mecanismo de ruptura Zener contribuye de manera importante sólo a

bajos niveles de , este cambio severo en la característica en cualquier nivel se denomina región

Zener , y los diodos que aprovechan esta porción única de la característica de la unión p-n se

designan como diodos Zener , los cuales se describirán posteriormente.

La región Zener descrita para un diodo semiconductor deberá de evitarse si la respuesta del sistema

no debe ser completamente alterada por el cambio severo en las características para esta región de

voltaje inverso.

El potencial máximo de polarización inversa que puede aplicarse antes de ingresar en la región Zener

se denomina voltaje pico inverso (referido simplemente como el valor PIV, por las iniciales en inglés

de Peak Inverse Voltage) o como voltaje PRV (por las iniciales en inglés de Peak Reverse Voltage).

Si una aplicación específica requiere un nivel de PIV mayor que el que puede ofrecer una sola unidad,

es posible conectar en serie un conjunto de diodos con las mismas características. Los diodos

también se pueden conectar en paralelo con el objetivo de incrementar la capacidad para conducir

corriente.

Efectos de la temperatura.

La temperatura puede ejercer un efecto marcado sobre las características de un diodo semiconductor

de silicio, como podemos observar para el caso de un diodo de silicio típico en la figura 1.24. De forma

experimental se ha encontrado que:

La magnitud de la corriente de saturación inversa se incrementará en una proporción doble

por cada incremento de 10°C en la temperatura.

No es poco frecuente que un diodo de germanio con un del orden de 1 o 2 μ A a 25°C mantenga una

fuga de corriente de 100µA = 0.1 mA a una temperatura de 100°C. Tales magnitudes de niveles de

corriente para la región de polarización inversa seguramente nos harán cuestionarnos acerca de la



validez de la condición deseada de circuito abierto para la región de polarización inversa. Para el

silicio, los valores típicos de son mucho menores que para el germanio a niveles de corriente y de

potencia similares como se muestra en la figura 1.23. El resultado de esto es que incluso a

temperaturas altas, los niveles de para los diodos de silicio, no llegan a alcanzar los elevados

niveles obtenidos del germanio, lo cual es una razón muy importante por la cual los dispositivos de

silicio disfrutan de un mayor nivel de desarrollo y de utilización en el diseño. Fundamentalmente, a

cualquier temperatura, se obtiene un equivalente mejor de circuito abierto para la región de

polarización inversa mediante el silicio en lugar del germanio.

Los mayores niveles de como resultado del incremento de temperatura, son responsables de los

niveles bajos del voltaje de umbral como se muestra en la figura 1.24. Observe que al incrementar el

nivel de en la ecuación general existirá un incremento rápido en la corriente del diodo. Desde luego,

el nivel de también se incrementará en la misma ecuación; sin embargo, el nivel creciente de se

sobrepondrá al menor cambio porcentual de . A medida que la temperatura se incrementa, lascaracterísticas en polarización directa se vuelven más "ideales"; sin embargo, cuando analicemos las

hojas de especificaciones veremos que temperaturas superiores a los rangos normales de operación

pueden ejercer un efecto muy nocivo en los niveles máximos de potencia y de corriente del diodo.

Para la región de polarización inversa el voltaje de ruptura se incrementa con la temperatura, pero

también advierta el incremento inconveniente en la corriente inversa de saturación.



Diodos Zener.

En una sección anterior analizamos con cierto detalle la región

Zener de la figura 1.52. En la que se aprecia la caída en una

forma casi vertical de la característica bajo un potencial de pola-

rización inversa denotado como . El hecho de que la curvacaiga alejada del eje horizontal en lugar de que se eleve alejada

de la región positiva indica que la corriente en la región Zener

mantiene una dirección opuesta a aquélla de un diodo en

polarización directa.

Esta región de características únicas se utiliza en el diseño de los

diodos Zener , los cuales tienen el símbolo gráfico que aparece

en la figura 1.53a. Tanto el diodo semiconductor como el diodo

Zener se presentan juntos en la figura 1.53 para asegurar que se

entienda claramente la dirección de la corriente en cada uno,

junto con la polaridad requerida para el voltaje aplicado. Para el

diodo semiconductor, el estado de "encendido" resistirá una

corriente en dirección de la fecha del símbolo. Para el diodo

Zener, la dirección de conducción es opuesta a la flecha de su

símbolo como indicamos en la parte introductoria de esta sección.

Observe también que la polaridad de y de son las mismas

que las que se hubieran obtenido si ambos fueran elementos

resistivos.

En la sección 1.6 analizamos con cierto detalle la región Zener de la figura 1.52. En la que se aprecia

la caída en una forma casi vertical de la característica bajo un potencial de polarización inversa

denotado como . El hecho de que la curva caiga alejada del eje horizontal en lugar de que se eleve

alejada de la región positiva indica que la corriente en la región Zener mantiene una dirección

opuesta a aquélla de un diodo en polarización directa.

Esta región de caracter ísticas únicas se utiliza en el diseño de los diod os Z ener , los cuales tienen el

símbolo gr áfico que apar ece en la figura 1.53a. Tanto el diodo semiconductor como el diodo Zener se

pr esentan juntos en la f igur a 1.53 para asegur ar que se entienda claramente la dir ección de la

corriente en cada uno, junto con la polaridad r equer ida par a el volta je aplicado. Para el diodo

semiconductor , el estado de "encendido" resistir á una cor r iente en dir ección de la fecha del símbolo.

Para el diodo Zener, la dir ección de conducción es opuesta a la f lecha de su símbolo como indicamos

en la parte introductor ia de esta sección. Obser ve también que la polar idad de y de son las



mismas que las que se hubier an obtenido si ambos f uer an elementos resistivos.

La localización de la región Zener puede controlarse mediante la variación de los niveles de dopado.

Un incremento en el dopado, que produce un incremento en el número de impurezas añadidas,

disminuye el potencial Zener. Existen diodos Zener disponibles con potenciales Zener de 1.8 a 200 V

con valores de potencia a 50 W. Debido a su capacidad para soportar temperaturas y corriente

mayores, se prefiere utilizar el silicio para fabricar diodos Zener.

El circuito equivalente completo del diodo Zener en la región

Zener incorpora una pequeña resistencia dinámica y una

batería dc equivalente al potencial Zener como se muestra en

la figura 1.54. Sin embargo, para el resto de las aplicaciones

siguientes, debemos asumir como primera aproximación que

los resistores externos son mucho más grandes en magnitud

que el resistor equivalente Zener y que el circuito equivalente

simplemente será el que se indica en la figura 1.54b.

En la figura 1.55 se proporciona un dibujo más grande de la

región Zener para permitir una descripción de los datos con el nombre Zener que aparecen en la tabla

1.4 para el caso de un diodo de 10 V, 500 mW y 20%. El término nominal asociado con indica que

se trata de un valor típico promedio. Ya que éste es un diodo de 20%, el potencial Zener se puede

expresar con una variación de 10 V ± 20% o con un rango de operación de 8 a 12 V. También se

encuentran disponibles diodos de 10% y 5% con las mismas especificaciones. La corriente de prueba

es la corriente definida para del nivel de potencia y es la impedancia dinámica en este nivel

de corriente. La impedancia máxima en el punto de inflexión ocurre en la corriente del punto de

inflexión . Se proporciona además la corriente de saturación inversa para un nivel potencial

particular, e es la corriente máxima para la unidad de 20%.



El coeficiente de temperatura refleja el cambio porcentual de con respecto a la temperatura, y se

define por la ecuación:

∆ 100% % / °C.

donde ∆ es el cambio en el potencial Zener, resultado de la variación de temperatura. Observe en la

figura 1.56a que el coeficiente de temperatura puede ser positivo, negativo e incluso cero para los

distintos niveles Zener. Un valor positivo indica un incremento en como resultado de un incremento

de temperatura, mientras que un valor negativo indica un decremento en el valor cuando la

temperatura se incrementa. Los niveles de 24 V, 6.8 V Y 3.6 V se refieren a tres diodos Zener que

cuentan con estos valores nominales dentro de una misma familia de Zeners. La curva para el Zener

10 V naturalmente se encontraría entre las curvas de los dispositivos de 6.8 V y de 24 V. Regresando

a la ecuación de , es la temperatura a la cual se suministra (normalmente a temperatura

ambiente de 25°C), y es el nuevo nivel. El siguiente ejemplo demostrará la utilización de la

ecuación de .



EJEMPLO.

Determine el voltaje nominal del diodo zener de la Tabla 1.4 a una temperatura de 100 °C.

En la figura 1.56b, se muestra la variación en la impedancia dinámica (fundamentalmente, su

resistencia en serie) a cambios en la corriente. De nuevo, el diodo zener 10 V aparece entre los

Zeners 6.8 V Y 24 V. Observe que mientras más fuerte es la corriente (o mientras más arriba de la

curva en crecimiento vertical se encuentre en la figura 1.52), menor será el nivel de resistencia.

Observe también que a medida que se cae por debajo del punto de inflexión de la curva, la resistencia

se incrementa a niveles considerables.

En la figura 1.57 aparecen tanto la identificación de las terminales como el encapsulado para distintos

diodos Zener. La figura 1.58 es una fotografía real de una variedad de instrumentos Zener. Observe

que su apariencia es muy parecida a la de los diodos semiconductores. Posteriormente se revisarán

algunas áreas de aplicación para los diodos Zener.



ANÁLISIS POR MEDIO DE LA RECTA DE CARGA.

Por lo general, la carga aplicada tendrá un impacto importante en el

punto o región de operación de un dispositivo. Si el análisis se

realiza de forma gráfica, se puede dibujar una línea recta sobre las

características del dispositivo que represente la carga aplicada. La

intersección de la recta de carga con las características

determinará el punto de operación del sistema. Tal análisis es

llamado, por razones obvias, análisis por medio de la recta de

carga. A pesar de que la mayoría de las redes de diodos que se

analizan en este capítulo no emplean el enfoque de la recta de

carga, la técnica es una de las que se utilizan de forma más

frecuentemente, y esta introducción ofrece la aplicación más

simplificada del método. De igual forma, permite una validación de

la técnica de aproximación descrita a través del resto de este

capítulo.

Considere la red de la figura 2.1a, la cual emplea un diodo que

posee las características de la figura 2.1 b. Observe que en la

figura 2.1 a la "presión" de la batería tiene como finalidad

establecer una corriente a través del circuito en serie en dirección



de las manecillas del reloj. El hecho de que esta corriente y la dirección de conducción definida del

diodo "coincidan", revela que el diodo se encuentra en el estado de "encendido" y que la conducción

se ha establecido. La polaridad resultante a través del diodo será la mostrada y el primer cuadrante

( e positivos) de la figura 2.1.b será la región de interés: la región de polarización directa.

Mediante la aplicación de la ley de voltaje de Kirchhoff al circuito en serie de la figura 2.1a el

resultado será

0

o (2.1)

Las dos variables de la ecuación (2.1) ( e ) son las mismas que las variables de los ejes del diodo

de la figura 2.1b. Esta similitud permite una graficación de la ecuación (2.1) sobre las mismas

características de la figura 2.1b.

Las intersecciones de la recta de carga sobre las características se pueden determinar fácilmente si

se tiene en cuenta que en cualquier lugar del eje horizontal 0 A y que en cualquier lugar del eje

vertical 0 V.

Si establecemos que 0 V en la ecuación (2.1) y se resuelve para , tendremos la magnitud de

sobre el eje vertical. Por tanto, con 0 V, la ecuación (2.1) se convierte en

0

e

(2.2)

como se muestra en la figura 2.2. Si establecemos 0 A en la ecuación (2.1) y resolvemos para

, obtenemos la magnitud de sobre el eje horizontal. Por tanto, con 0 A, la ecuación (2.1) se

convierte en

0

y | (2.3)

como se muestra en la figura 2.2. Una línea recta dibujada entre los dos puntos definirá la recta de

carga como la descrita en la figura 2.2. El cambio en el nivel de R (la carga) cambiará la intersección

sobre el eje vertical. El resultado será un cambio en la pendiente de la recta de carga, y un punto de



intersección diferente entre la recta de carga y las características del dispositivo.

Ahora tenemos una recta de carga definida por la red y una curva característica definida por el

dispositivo. El punto de intersección entre los dos es el punto de operación para este circuito. Al

dibujar simplemente una línea recta hacia abajo en dirección al eje horizontal, puede determinarse el

voltaje del diodo , mientras que una línea horizontal proveniente del punto de intersección hacia el

eje vertical proporcionará el nivel de . La corriente es en realidad la corriente a través de toda la

configuración en serie de la figura 2.1a. Por lo general, el punto de operación se denomina punto de

operación estable ("Q-pt", abreviación deda de su nombre en inglés Quiescent point) debido a las

cualidades de "estabilidad e inmovilidad", según lo definido por una red de dc.

La solución que se obtiene en la intersección de las dos curvas es la misma que se podria obtener por

una solución matemática simultánea de las ecuaciones (2.1) y (1.4) ⁄ 1. El análisis

por medio de la recta de carga que se describió anteriormente, provee una solución con un esfuerzo

mínimo, y una descripción "pictórica" de cómo se obtuvieron los niveles de solución para e .

Los siguientes dos ejemplos demostrarán las técnicas que se presentaron previamente, y también la

facilidad relativa con la que puede dibujarse la recta de carga mediante el uso de las ecuaciones (2.2)

y (2.3).

EJEMPLO 1.

Para la configuración del diodo en serie de la figura 2.3a y utilizando las características del diodo de la

figura 2.3b determinar:

(a) e .

(b) .



EJEMPLO 2.

Repita el análisis de Ejemplo 1con R = 2 KΩ.

EJEMPLO 3.

Repita el Ejemplo 1 utilizando el modelo equivalente del diodo semiconductor de silicio.

EJEMPLO 4.

Repita el Ejemplo 2 empleando el modelo equivalente aproximado para el diodo semiconductor de

silicio.

EJEMPLO 5.

Repita el Ejemplo 1 utilizando el modelo ideal del diodo.

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