El diodo de unión

• La unión PN en equilibrio.• Polarización del diodo. Polarización

directa e inversa.• Curva característica. Influencia de la

temperatura.• El diodo como rectificador.• El diodo Zener.• Diodos LED• El diodo Schottky

La unión PN en equilibrioNP

Indif

IpdesIpdif

Indes

300 K0 K

V0E

A temperatura ambiente, los huecos de la zona p pasan por difusión hacia la zona n y los e- de la zona n pasan a la zona p.

En la zona de la unión, huecos y e- se recombinan, quedando una estrecha zona de transición con una distribución de carga debida a la presencia de los iones de las impurezas y a la ausencia de huecos y e-.

Se crea, entonces un campo eléctrico que produce corrientes de desplazamiento, que equilibran a las de difusión. Xp Xn

La unión PN en equilibrio

ρq N D

- q N A

-0

+

pp0 ≈ NA nn0 ≈ ND

np0 pn0

Distribución de las concentraciones de portadores de carga

Distribución de carga

Xp Xn

Campo eléctrico en el diodo

EXp Xn

Diferencia de potencial

V0

V

Xp Xn

La unión PN en equilibrio

0p

0nT

0n

0pTxpxn0 n

nlnV

p

plnVVVV ==−=

2i

DATxpxn0

n

NNlnVVVV =−=

Sustituyendo los valores de las concentraciones de impurezas:

V0 se llama Potencial de contactoPotencial de contacto y representa la diferencia de potencial entre los extremos de la zona de transición con la unión en circuito abierto y en equilibrio.

V0 = 0.7 V para diodos de Si y V0 = 0.3 V para diodos de Ge, a 20 ºC

VT = 0.026 V a 300 K

Polarización del diodoPolarización directa

VDI

E

VD crea un campo eléctrico opuesto al de la unión, disminuye el Etotal en la unión y

la barrera de potencial: V´=V0-VD, y aumenta la corriente de mayoritarios por

difusión.

V0

V0 - VD

Polarización inversa

VII0 <<<<

E

VI crea un campo eléctrico en el mismo sentido que el de la unión, aumenta el Etotal,

aumenta la diferencia de potencial: V´=V0+VI, y disminuye la corriente de mayoritarios.

Favorece el desplazamiento de huecos hacia la zona p y de e- hacia la zona n,

ensanchándose la zona de transición. Pero estos h+ y e- provienen de zonas donde son

minoritarios. El resultado es que fluye una pequeña corriente I0, debida únicamente a

los pares e-h+ que se generan por agitación térmica llamada CORRIENTE INVERSA CORRIENTE INVERSA DE SATURACIÓNDE SATURACIÓN..

V0 + VI

V0

mVmA

R

El diodo: dipolo no lineal

0

I

V

Curva característica

eT q

kTV =

VT(300 K) = 25.85 mV

k (Constante de Boltzmann) = 1.38·10-23 JK-1

−= 1eII TV

V

0

-0,05

0,05

0,15

V (V)

I (m

A)

Io

I0: Corriente inversa de saturación

0,4 0,6 0,80,2

I0 < µA

Aproximaciones o modelos del diodo

En el modelo del diodo ideal se equipara éste a un cortocircuito o a un circuito abierto, según cómo esté conectado.

R

I II

1ª aproximación: diodo ideal

R

V

I

Aproximación lineal (2ª)Se considera que el diodo conduce sin resistencia por encima de la tensión umbral, y no conduce por debajo de la misma. Esto equivale a considerar un diodo como un interruptor o un diodo ideal en serie con un receptor.

VU= 0.3 V para el diodo de Ge

VU= 0.7 V para el de Si.

mA3.51

7.060 =−=−=kR

VVI U

VU V

I

R=1kΩV0 = 6V

I VU=0.7 V

R=1kΩ

I

V0 = 6V

Aproximación lineal (3ª)La 3ª aproximación es un diodo ideal con una resistencia en serie y una fuente de tensión.

R=1kΩ

V0 = 6V IRd = 500 Ω

VU=0.7 VmA5.3

5001000

7.060 =+

−=−=R

VVI U

R=1kΩ

V0 = 6V I

-0,05

0,05

0,15

V (V)

I (m

A)

Io0,4 0,6 0,80,2 Vu

V = Vu + IRd

∆V

∆IRd = ∆V/∆I

ID

VD

Diodo ideal (1ª aproximación)

Tres modelos de diodo

ID

VD

RDRDVU

VU

Modelo lineal (3ª aproximación)

VU

ID

VDVU

Modelo simplificado (2ª aproximación)

Influencia de la temperatura

-0.1

0

0.1

0.2

-70 -20 30 80 V (mV)

I (m

A)

300 K310 K320 K

eT q

kTV =

kT

E3

0

g

eCTI−

=Eg: Anchura de la banda prohibida en J y 300 K.k: Constante de Boltzmann.C: Coeficiente característico de cada semiconductor.

Capacidad de la unión p-n

V0

E

xp xn

p n

-qNA +qNDxp xn

-qNA +qND

Varactores

El diodo como rectificador

t

V

~ salidat

V

t

V

~

~

Salida

De media onda:De media onda:

De onda completa:De onda completa:

Diodo Zener

El diodo Zener funciona en polarización inversa utilizando el fenómeno de conducción por ruptura o avalancha.

Para una tensión inversa dada, llamada tensión Zener, ésta se mantiene constante aunque la corriente varíe.

En polarización directa funciona como un diodo normal.

Tensión ZenerTensión Zener

Vz

V

I

Se debe a una fuerte generación de portadores en la zona de transición debido a estas dos causas:

• Multiplicación por avalancha

• Ruptura Zener

Región Zener

En la práctica, ambos fenómenos se confunden. Se habla de “zona zener” y de “tensión zener” y de “zona de avalancha” y de “tensión de avalancha”.

zona de transición

P ligeramente dopadoP ligeramente dopado N altamente dopadoN altamente dopado

Se produce con tensiones inversas mayores de 5 V. El campo eléctrico acelera los portadores minoritariosportadores minoritarios que atraviesan la zona de transición con la energía cinética suficiente para romper enlaces covalentes generando más portadores. Si el campo es suficientemente intenso, los nuevos portadores vuelven a chocar y generar más portadores. Se produce una reacción en cadena que genera muchísimos portadores. El dopado controla el fenómeno de avalancha: cuanto más débil es, a mayor tensión se produce.

avalancha de electrones

Portador minoritario

Multiplicación por avalancha

Para tensiones por debajo de 5 V. El campo eléctrico es suficientemente intenso como para romper directamente enlaces. Ambos dopados deben ser muy intensos (≈1024 átomos/m3 ).

Ruptura Zener

zona de transición

P altamente dopadoP altamente dopado N altamente dopadoN altamente dopado

Vz

R

V0 Vs

Vz

Modelización del diodo Zener

V

I

R

V0 Vs< Vz

No conduce

Vs< Vz

Vz

R

V0 Vs= Vz

Vs= Vz

Conduce

Diodo Zener: aplicaciones

Vz=5V

R=1kΩ

V0 = 6V I

Las tensiones Vz≈ [3 - 20V]

mA1k1

56R

VVI z0 =−=−=

P = VzI = 5V·1mA = 5 mW

Vs Vs = VZ= 5V

t

V

t

VVs = Vz

Regulador de tensión

Regulador de tensión

Atenuador de rizado

Atenuador de rizado

VzV0

Vs

Vrizada

Diodo Schottky

•Basado en una unión metal–semiconductor. •No existen portadores minoritarios en la

parte metálica, por lo que el tiempo de recuperación inverso es mucho menor.

•Se polariza de modo directo conectando el semiconductor tipo n al cátodo, y el metal al ánodo

•Existe zona de carga espacial sólo en el lado semiconductor.

•El flujo de corriente no se debe a la difusión de portadores como en la unión p-n.

•En ambos lados el portador mayoritario es el electrón.

•Rectifica corrientes alternas del orden de los GHz.

-

metal (W, Mo,...)

n

+

+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -

En cualquier unión p-n polarizada de modo directo existe en la zona de unión una recombinación de huecos y electrones.En los diodos de silicio y germanio la energía emitida en la recombinación es mayoritariamente en forma de calor.En los de GaAsP y GaP es, de modo significativo, en forma de luz visible: electroluminiscencia.

Diodos emisores de luz (LED)

P N

BANDA DE CONDUCCIÓN

FOTÓN

BANDA DE VALENCIA

Color de la luz emitida por LEDGaAs dopado con Zn

GaP dopado con N

GaP dopado con Zn

SiC, ZnSe

GaAs0.6P0.4

GaAs0.35P0.65

GaAs0.15P0.85

IR

V (V)

I

1 2 3

35 kΩ

0.7 V

10 V

i

2 kΩ

7 Vi

Intensidad a través del diodo

30 kΩ

10 kΩ

5 kΩ

0.3 V

12 V

i2 i1

i

12 = 30i + 5i1 + 0.3

12 = 30i + 10(i - i1)⇒ i1= 0.216 mA

Intensidad a través del diodo

70 kΩ

10 kΩ30 kΩ

0.7 V0.25 Ω

20 VJ2

A6.43

4010

10807.010

2080

J2 µ=

−−−−=

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Intensidad a través del diodo

El diodo como rectificador

t

5 V

0,7 V

V4,3 V

~ salida

Si Vu = 0,7 V