diodos normales

GOBIERNO DE MENDOZA - DIRECCION DE EDUCACION SUPERIOR

INSTITUTO DE EDUCACION SUPERIOR 9-012

SAN RAFAEL EN INFORMÁTICA

Carrera: Tecnicatura Superior en Telecomunicaciones

Asignatura: ELECTRONICA Docente: Prof. Ing. Alfredo G. Rivamar

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DIODOS SEMICONDUCTORES

UNIDAD Nº 2

Temas:

• Unión PN.

• Operación de un diodo.

• Relación entre la corriente y la tensión en un diodo.

• Efecto de la temperatura.

• Niveles de resistencia en un diodo.

• Hojas de especificaciones con diodos. Parámetros.

1. Unión PN

En la figura 1 se muestran un material tipo P y otro de tipo N colocados juntos para formar una unión. Representa un modelo simplificado de construcción del diodo.

En la práctica, los diodos se construyen como una sola pieza de material semiconductor, en la que un lado se contamina con material P y otro con material tipo N.

También se muestra el símbolo esquemático del diodo. Puede verse que la flecha apunta del lado P al lado N siguiendo el sentido convencional de corriente.

Observamos que existirá una región desértica (ausencia de portadores

móviles) en la vecindad de la unión, figura 2.

Este fenómeno se debe a la recombinación de electrones y huecos en la región donde se unen los materiales.






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Esta zona desértica se forma en el momento en que se constituye la unión. El vaciamiento de portadores en esta región es debido a las corrientes de difusión, tanto de electrones que van desde el lado N al lado P, como a huecos que van del lado P al lado N atravesando la unión.

Esto provoca que en la zona de la juntura queden cargas descubiertas que no son más que iones de material semiconductor inmóviles. Del lado P próximo a la juntura tendremos iones negativos, y del lado N próximo a la juntura, iones positivos.

Estas cargas inmóviles crean un campo eléctrico que se opone a la circulación inicial de portadores de carga creando una barrera de potencial que determina el comportamiento del diodo.

Figura 1: esquema y símbolo de un diodo

Figura 2 Zona de agotamiento (desértica)






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2. Operación del diodo

En la figura 3 se muestran las características de operación de un diodo práctico. Esta curva se caracteriza por presentar dos zonas: la de polarización directa (ánodo positivo respecto del cátodo) y la de polarización inversa (ánodo negativo respecto del cátodo).

En la zona de polarización directa se puede apreciar que se necesita una tensión mínima V , llamada tensión umbral, para obtener una corriente

significativa. Conforme la tensión tiende a exceder V , la corriente aumenta con rapidez. La pendiente de la curva característica es grande pero no infinita.

La tensión V es aproximadamente 0,7 V para el Silicio y 0,3 V para el Germanio (a 300 ºK). La diferencia de tensión para el germanio y el silicio radica en la estructura atómica de los materiales.

Figura 3: Características de un diodo rectificador

Distinguimos tres zonas:

1-Zona Directa.

2-Zona Inversa.

3-Zona de Ruptura.






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Figura 4: Curva del diodo (Si)

Figura 5: Curva característica del diodo de Si






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Figura 6: Comparación de diodos de Si y de Ge






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Cuando el diodo está polarizado en inverso, existe una pequeña corriente de fuga: corriente inversa de saturación, Io. Esta corriente es mucho mayor para

los diodos de germanio (microamperes) que para los diodos de silicio (nanoamperes).

Si la tensión negativa es lo suficientemente grande como para entrar en la región de ruptura, podría destruirse un diodo normal. El daño en un diodo normal en ruptura se debe a la avalancha de electrones que fluyen a través de la unión con poco incremento de tensión, provocando una gran disipación de calor. Esta tensión de ruptura se conoce como tensión de ruptura del diodo VBR.

Recordemos que, en ausencia de un voltaje de polarización aplicado (diodo NO polarizado), las corrientes en cualquier sentido son iguales a cero.

Zona de ruptura: dentro de la zona inversa, al aumentar mucho la caída de tensión desde el terminal negativo hasta el terminal positivo del diodo, se observa que a partir de cierto valor, llamado tensión de ruptura , la intensidad inversa aumenta muy rápidamente con la tensión.

En estas condiciones, el diodo puede llegar a destruirse a no ser que se limite de alguna manera la intensidad que circula por él y por tanto su consumo de potencia. Dentro de la región de ruptura el dispositivo equivale a una fuente de tensión, cuyo valor es también fuertemente dependiente de la tecnología; típicamente varias decenas de voltio.

La ruptura es un comportamiento parásito que debe evitarse en las aplicaciones del diodo de unión. Sin embargo, hay dispositivos, los diodos Zener, donde la ruptura es un proceso controlado y toma valores en el rango de voltios.

3. Relación entre la corriente y la tensión en un diodo

Existe una relación exponencial entre la corriente del diodo y el potencial aplicado. Es posible escribir una expresión única para la corriente que se aplique a condiciones de polarización tanto directa como inversa.

La expresión es válida siempre que la tensión no exceda la tensión de ruptura. La relación se describe mediante la ecuación:

iD=Io.(e(q.VD/n.k.T)-1) (1)






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Siendo:

iD = corriente del diodo.

VD = diferencia de potencial a través del diodo.

Io = corriente de saturación inversa o corriente de fuga.

q = carga del electrón (1,6 x 10-19 Coulombs (C))

k = constante de Boltzman (1,30 x 10-23 J/ºK)

T = temperatura absoluta en grados Kelvin.

n = constante empírica. Su valor oscila entre 1 (Ge) y 2 (Si).

Y considerando que:

VT = k.T/q (Equivalente en Tensión de la Temperatura)

la expresión (1) se simplifica a:

iD=Io.(e(VD/n.V

T)-1) (2)

4. Efectos de la Temperatura

La temperatura tiene un efecto importante en la determinación de las características operativas de los diodos.

Conforme aumenta la temperatura, disminuye la tensión de encendido V . Por otra parte, un descenso en la temperatura provoca un incremento de V . Esta tensión umbral varía linealmente con la temperatura según la ecuación (3), suponiendo que la corriente iD en el diodo se mantiene constante.

V (T1) – V (T0) = 5 . (T1 – T2) (3)






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siendo:

T0 = Temperatura ambiente, ºC.

T1 = nueva temperatura del diodo, en ºC.

V (T0) = tensión del diodo a temperatura ambiente.

V (T1) = tensión del diodo a la nueva temperatura.

I = coeficiente de temperatura en V/ºC.

Aclaración:

I : vale -2,5 mV/ºC para el germanio y -2 mV/ºC para el silicio.

La corriente de saturación inversa io, es otro parámetro que depende de la temperatura. Aumenta aproximadamente 7,2 %/ºC tanto para diodos de Ge como de Si. En otras palabras: SE DUPLICA CADA 10 ºC DE AUMENTO DE LA TEMPERATURA según la expresión:

Io(T2) = Io(T1). e(0,072/ºC(T2-T1)) (4)

y siendo: e0,72 = 2 (aproximadamente)

Io(T2) = Io(T1). 2(T2-T1)/10 (5)






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5. Niveles de resistencia en un diodo

Punto de operación de un diodo: un punto sobre la curva de V-I del diodo, al que le corresponde un valor específico de tensión y de corriente.

Recordar la Ley de Ohm, donde Resistencia es el cociente de V e I.

Dado que la curva del diodo no es lineal (no es una recta sino una curva), cuando el punto de operación de un diodo se mueve de una región a otra, la resistencia del diodo cambiará debido a la forma no lineal de la curva característica.

Estudiaremos tres niveles diferentes de resistencia. Su conocimiento no solo es importante para un diodo sino que también los utilizaremos al analizar otros dispositivos.






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Definimos:

1-Resistencia en dc o estática.

2-Resistencia en ac o dinámica.

3-Resistencia en ac promedio.

Entonces:

1-Resistencia en dc o estática:

Al aplicar un voltaje dc (continuo) a un circuito que contiene un diodo semiconductor, obtendremos un punto de operación sobre la curva característica, que no cambiará con el tiempo.

En este caso, la resistencia del diodo “RD” es el cociente entre la VD y la ID :







Ejemplo:

Para el diodo de Si cuya curva característica se presenta a continuación, determinar la “RD” en los siguientes puntos:

a) ID = 2 mA

b) ID = 20 mA

c) VD = -10 V

Resolución:

a) Para ID = 2 mA, tenemos VD = 0,5 V (en la curva), por lo tanto:

RD = VD / ID = 0,5 V / 2 x 10 -3 A = 250 Ω

b) Para ID = 20 mA, tenemos VD = 0,8 V (en la curva), por lo tanto:

RD = VD / ID = 0,8 V / 20 x 10 -3 A = 40 Ω

c) c) Para VD = -10 V, tenemos ID = - 1 µA (de la curva, I0), por lo tanto:

RD = VD / ID = 10 V / 1 µA = 10 MΩ







Conclusiones:

• En el punto de inflexión y hacia abajo, los valores de RD son mayores que los obtenidos en la zona vertical de la curva.

• En la zona de polarización inversa, los valores de RD son muy altos.

2-Resistencia en ac o dinámica:

¿Qué ocurre si en un punto determinado de la curva se aplica una entrada senoidal en lugar de una entrada de dc?: el punto de operación se desplazará hacia arriba y hacia abajo como se muestra en la figura.

Sin tener una señal variable aplicada, el punto de operación es estable y se indica como Punto Q (“Q” de “quiescent” en inglés, “estable o sin variación” en español).

Para establecerla, consideramos una recta tangente al punto Q determinada.

En cuanto a los valores:

A mayor pendiente de esta recta tangente, menor resistencia ac (menor la variación ∆Vd para el mismo cambio en ∆Id).

Determinación de la

resistencia en ac en un punto Q.

Donde ∆ significa un cambio finito en la cantidad.







Entonces, en la región de crecimiento vertical de la curva característica, la resistencia ac será muy pequeña, mientras que la resistencia ac será mucho más alta para niveles de corriente bajos (menor pendiente).

Ejemplo:

Considerando la curva característica del diodo de la figura, determinar:

a) La resistencia en ac en ID = 2 mA.

b) La resistencia en ac en ID = 25 mA.

c) Calcular las resistencias dc para los mismos valores de corriente y comparar con los valores de rd en los mismos puntos.







a) ID = 2 mA.

Se dibuja la línea tangente al punto Q considerado y se eligen desplazamientos de corriente de 2 mA por encima y por debajo de ese punto.

• Para ID = 4 mA, VD = 0,76 V

• Para ID = 0 mA, VD = 0,65 V

Determinemos los ∆:

∆Id = 4 mA – 0 mA = 4 mA.

∆Vd = 0,76 V – 0,65 V = 0,11 V

y la resistencia ac (rd) es: rd = ∆Vd / ∆Id = 0,11 V / 4 mA = 27, 5 Ω

b) ID = 25 mA.

Se dibuja la línea tangente al punto Q considerado y se eligen desplazamientos de corriente de 5 mA por encima y por debajo de ese punto.

• Para ID = 30 mA, VD = 0,80 V

• Para ID = 20 mA, VD = 0,78 V

Determinemos los ∆:

∆Id = 30 mA – 20 mA = 10 mA.

∆Vd = 0,80 V – 0,78 V = 0,02 V

y la resistencia ac (rd) es: rd = ∆Vd / ∆Id = 0,02 V / 10 mA = 2 Ω







c)

Para ID = 2 mA, VD = 0,70 V

RD = VD / ID = 0,7 V / 2 x 10 -3 A = 350 Ω >> 27,5 Ω

Para ID = 25 mA, VD = 0,79 V

RD = VD / ID = 0,79 V / 25 x 10 -3 A = 31,62 Ω >> 2 Ω

3-Resistencia en ac promedio:

Es la resistencia definida por una línea dibujada entre dos intersecciones establecidas por los valores máximos y mínimos del voltaje de entrada:







Ejemplo:

∆Id = 17 mA – 2 mA = 15 mA.

∆Vd = 0,725 V – 0,65 V = 0,075 V

rav = ∆Vd / ∆Id = 0,075 / 15 mA = 5 Ω

Este concepto se emplea en la definición de circuitos equivalentes para un diodo.







Tabla Resumen:







6. Hoja de datos de un diodo

Existen datos que deben conocerse para una correcta utilización del diodo semiconductor:

1-Voltaje directo “VF” (a una corriente y Tº especificadas).

2-Corriente máxima “IF” (a Tº especificada).

3-Corriente de saturación inversa “IR” (a una corriente y Tº especificadas).

4-Voltaje inverso (PIV, PRV o V(BR)) (a una Tº especificada).

5-Nivel máximo de disipación de potencia a una Tº en particular.

6-Niveles de capacitancia.

7-Tiempo de recuperación inverso trr (tiempo que necesita el diodo para pasar desde el estado de polarización directa al estado de polarización inversa. Importante para los diodos de conmutación utilizados en aplicaciones de conmutación de alta velocidad. En general, desde unos cuantos nanosegundos hasta 1 microsegundo. Existen algunos diodos de conmutación con trr de unos cuantos picosegundos (10-12 seg.)).

8-Rango de temperatura de operación.

En tipos de diodos específicos, se presentan datos adicionales: rango de frecuencia, nivel de ruido, tiempo de conmutación, niveles de resistencia térmica y los valores de pico repetitivos.

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