CONTENIDO

• Introducción

• Conceptos básicos de semiconductores. Unión pn.

• Diodo real. Ecuación del diodo. Recta de carga.

• Diodos zener.

• Modelos del diodo

– Modelo del diodo ideal.

– Modelo completo del diodo.

– Modelo del diodo zener.

• Otros tipos de diodos.

• Circuitos con diodos

– Rectificadores. Filtrado.

– Circuitos recortadores.

– Circuitos fijadores.

– Circuitos lógicos con diodos.

• Estabilizadores de tensión zener.

• Conmutación y comportamiento en alta frecuencia. Capacidades.

INTRODUCCION

• El diodo es el dispositivo electrónico más simple. Es un semiconductor de dos terminales (Ánodo y Cátodo) que ofrece una baja resistencia del orden de los mΩ en una polarización y del orden de los GΩ en la otra. Esto lo convierte en un componente adecuado como rectificador.

• El diodo exhibe una relación no lineal entre la tensión entre sus terminales y la corriente que circula por él. En el análisis de circuitos con diodos, se pueden realizar algunas aproximaciones que faciliten la resolución del sistema.

• Se estudian también algunos diodos de uso especial, como son los zener, LED, fotodiodos y Schottky.

• Los diodos permiten desarrollar circuitos con distintas aplicaciones, destacando la rectificación, en cualquiera de sus variantes.

CONCEPTOS BASICOS DE SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS

• Materiales válidos para la fabricación de dispositivos electrónicos de estado sólido: silicio, germanio y arseniuro de galio.

• Semiconductor Intrínseco (puro)

– Cada par de átomos forma un enlace covalente con cada uno de los cuatroátomos cercanos (disposición tetraédrica). Electrones de la capa de valencia (grupo 4).

– A 0º K, no existen electrones libres.

– A 300º K, los electrones libres permiten flujo de una corriente si se aplica una ddp. (Tiene mayor R que un conductor eléctrico).

– Concentración de huecos (np) igual a concentración de electrones libres (ni) en un material puro.

– Ambos tipos de portadores contribuyen al flujo de corriente.

– Generación: a mayor temperatura, mayor velocidad de generación de electrones libres y huecos (energía térmica).

– Recombinación: el hueco y el electrón libre se combinan formando un enlace covalente.

– La conductividad de un semiconductor intrínseco aumenta con la Tª.

CONCEPTOS BASICOS DE SEMICONDUCTORES EXTRINSECOS

• Semiconductor Extrínseco (impurificado)

– Tipo N: impurezas donantes de electrones. Portadores mayoritarios

(electrones); Portadores minoritarios (huecos).

• n concentración de electrones.

• p concentración de huecos

• Nd concentración átomos donantes.

– Tipo P: impurezas aceptadoras de electrones (aportan huecos).Portadores mayoritarios (huecos); Minoritarios (electrones).

n p ND

• Na concentración átomos aceptadores

• Ley de acción de masas: en un tipo n, el valor de p se reduce (mayor probabilidad de recombinación). Se cumple que el producto de la

concentración de huecos por la de electrones libres es constante a

una temperatura dada:

– En el material intrínseco:

N A n p

pi ni

pn p n pn n2

i i i

UNION pn NO POLARIZADA

• Una unión pn consiste en un único cristal semiconductor al cual se le han añadido impurezas de manera que se obtiene un zona p y otra n.

• Si estuviera formado por dos cristales independientes, antes de conformar físicamente la unión, se tendría una distribución de portadores según se indica en la figura.

•El elevado gradiente de concentración hueco-electrón a lo largo de la unión, inicia un proceso de difusión, creando una zona de carga espacial en la zona de unión.

DIFUSION PORTADORES EN UNION NO POLARIZADA

La zona de carga espacialsurge por la difusión de portadores mayoritarios desde las zonas de mayor a menor concentración.

El efecto principal del campo eléctrico de la zona de carga espacial es una barrera depotencial que impide lacirculación de electrones.

UNION PN EN POLARIZACION INVERSA

• Un diodo está inversamente polarizado, si la tensión aplicada aumenta la zona de carga espacial.

• Los portadores mayoritarios son atraídos por cada uno de los terminales delgenerador.

• Si la tensión externa inversa es mayor de unas décimas de voltio, la corriente de los portadores mayoritarios se reduce casi a cero.

• Así, la corriente inversa estará formada por los portadores minoritarios, queal ser muy pocos, da lugar a una corriente pequeña, e independiente delvalor de la tensión inversa aplicada.

• Sin embargo, al depender la concentración de los portadores minoritarios de la generación térmica, a medida que aumente ésta, también aumentará elvalor de la corriente inversa.

• Si la tensión inversa es suficientemente alta, el campo eléctrico es capaz de romper los enlaces covalentes, lo que produce una gran cantidad de pares hueco-electrón, y por tanto, un gran flujo de corriente inversa.

UNION PN EN POLARIZACION DIRECTA

• La corriente total corresponde a la suma de la corriente debida a los huecos, y la debida a los electrones.

• A mayor distancia en cada una de las zonas desde la unión, la corriente predominante corresponde a los huecos en la zona p, y a los electrones en la zona n.

DIODO REAL - CARACTERISTICAS

• Característica del diodo.

– Posee dos terminales (Ánodo y Cátodo).– Polarización DIRECTA:

• Si Vd es > 0 voltios.

– Polarización INVERSA:• Si Vd < 0 voltios.

• En Directa la corriente fluye con facilidad.

• En Inversa, al alcanzar la región deruptura o zona de avalancha, el flujo de corriente es elevado siempre y cuando no se exceda la potencia máxima de disipación.

• Designación características:– Vr: tensión inversa.– If(av): corriente media directa.– If(rms): corriente eficaz directa– Vf: caída de tensión directa.

DIODO REAL – ECUACION DEL DIODO

• La ecuación del diodo (ecuación de Shockley) es:

• Donde:

– La tensión térmica es

– Is es la corriente de saturación inversa.

– n es el coeficiente de emisión entre 1 y 2.

• En la región de polarización directa, los diodos de Si de pequeña señalconducen muy poca corriente (menos de 1 mA) hasta que se aplica una tensión de 0,6 a 0,7 voltios (a temperatura ambiente).

• A partir de dicha tensión (Vumbral), la corriente incrementa rápidamente a pequeños aumentos de tensión.

• La respuesta del diodo de Si a variaciones de temperatura es de aproximadamente -2 mV/ºK.

• En la región inversa la corriente es aproximadamente de 1 nA. Si T aumenta, también aumenta la I.

• En la zona de ruptura, la corriente aumenta rápidamente. Existen diodos especiales para trabajar en dicha zona (diodos Zener).

1)iD IS (evD / nVT

VT k T / q

DIODO REAL – RECTA DE CARGA

• Aplicando la 2ª Ley de Kirchhoff:

VSS RiD vD

• Conocido el valor de Vss, R y la curva característica del diodo, se puede obtener el punto de trabajo del circuito.

• La recta de carga se obtiene a partir de los puntos de corte de la ecuación obtenida con los ejes coordenados:

Fig. .- Polarización diodo.

– Si id = 0 -> Vd = Vss; (pto A)

– Si Vd = 0 -> id = Vss / R; (pto B)

• Uniendo los dos puntos A y B, se obtiene la recta de carga.

• El punto de trabajo es la intersección entre la característica del diodo y la recta de carga.

RESISTENCIA DINAMICA DEL DIODO

• En la zona de polarización positiva, antes de Vumbral la pendiente de la recta que se aproxima a la característica tiende a cero (conductancia); por tanto, su resistencia será elevada. Si se sobrepasa la Vu, la pendiente es muy grande, y por tanto, la resistencia reducida. Así, la pendiente de la curva se modifica según sea el punto Q en el que se encuentre el diodo.

• Suponiendo que la tensión continua de alimentación hace que el diodo trabaje en un punto de reposo, punto Q, y superponiendo una pequeña señal alterna, su comportamiento se aproximará al de unaresistencia según:

dvD nVT nVT

diD iD I S iD

sustituyendo y suponiendo IS ID

dvD nVT IS

iD

vD

e nVT

vD

e nVTdiD IS

dvD Q

D

d

como

dir

1

1

DIODO IDEAL

• Es un modelo útil que permite simplificar elanálisis por medio de las siguientes aproximaciones:

– En polarización directa, el diodo actúa comoun cortocircuito. (R = 0 ohmios).

– En polarización inversa, el diodo se comportacomo un circuito abierto. (R = infinito)

• En la Fig. , se representa la característica iv de un diodo ideal.

• Obsérvese, que en este modelo no existe una tensión umbral en directa necesaria para el inicio de la conducción de corriente.

• En el análisis con diodos ideales, primero se supondrá cuales están en corte y en conducción. Posteriormente, si id es positiva en los diodos en conducción, y Vd negativa en los supuestamente en corte, la suposición inicial será correcta.

MODELO COMPLETO DEL DIODO

• En este modelo, se sustituye el diodo por un diodo ideal, en serie con una fuente de tensión de valor la tensión umbral, y la resistencia en directa.

OTROS TIPOS DE DIODOS

• Diodos LED (Light Emiter Diode – Diodo Emisor de Luz)

– El diodo LED es un tipo especial de diodo, que trabaja como un diodo común, peroque al ser atravesado por una corriente emite luz proporcionalmente a la cantidadde corriente que circula.

– Existen diodos que emiten luz de diferentes longitud de onda según el material del que están construidos. Existen diodos led Rojos, Amarillos, Verde, Ambar e Infrarrojos.

– La caída de tensión en directa está en el rango de 1,5 voltios a 2,2 voltios,aproximadamente.

• Fotodiodos

– Realiza la función inversa al LED.

– Si se polariza en inversa, y recibe energía luminosa, la cantidad de corriente inversaserá proporcional a la intensidad incidente. (Es debida a los pares hueco-electróngenerados por los fotones).

• Diodo Schottky

– Se usan en aplicaciones de alta frecuencia y conmutación rápida.

• Diodo Zener

– Trabajan en la zona de ruptura inversa.

CIRCUITOS CON DIODOS

• Ejemplo análisis de un circuito simple con diodos:

CIRCUITOS RECTIFICADORES

• Circuitos Rectificadores: convierten la corriente alterna en corriente continua (unidireccional). También se conoce como convertidor AC-DC

• Tipos:

– Rectificadores de media onda

– Rectificadores de onda completa

• Con trafo de toma intermedia (dos diodos).

• Con puente de diodos (cuatro diodos).

• Conceptos básicos de Transformadores Ideales

– Trafo

– Trafo con toma intermedia

• Relación Vmax & Vef

RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA

• Cuando la tensión es positiva (intervalo 0 t ), el diodo se encuentra

polarizado en directa, y conducirá la corriente (caída de 0.7 V).

• Cuando la tensión es negativa, el diodo se polariza inversamente, no dejandopasar corriente. En este intervalo el diodo soporta la tensión inversa impuestapor la entrada.

• Aplicando la 2ª Ley de Kirchhoff, a los dos casos anteriores, se obtiene:

– En directa, prácticamente la caída de tensión de la alimentación está en bornes dela carga.

– En inversa, la caída de tensión la acapara el diodo por no circular corriente.

(a) Diagrama del circuito (b) Tensión de la fuente

en función del tiempo(c) Tensión de la carga

en función del tiempo

Diodo ideal 0,7 V

Diodo

real

Vmsen ( t)

RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA

• La tensión de entrada es senoidal según:

• El valor medio de la tensión Vo(dc) se obtiene realizando la integral:

VO(DC ) vO d (t) Vm sent d(t) 0,318Vm

2 0 2 0

• La corriente media para una carga resistiva R, se obtiene por la Ley de Ohm.

• El valor de la tensión eficaz (rms) será:

vS Vm sent

1 1 Vm

• La frecuencia de salida es igual a la de entrada

0,5Vm

VmV 2sen2t d (t) m

VO(rms)22

1

0

RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA CON TRAFO DE TOMA INTERMEDIA

• Consiste en dos rectificadores de mediaonda con fuentes de tensión desfasadas180º.

• El trafo aísla (respecto de tierra) a la carga de la corriente alterna de entrada.

• Durante el ciclo positivo, conduce el diodo A; durante el ciclo negativo, el diodo B conduce rectificando la señal.

• Voltaje medio o de continua:

• Frecuencia de salida

fout

2VmVO(DC )

2 fin

RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA CON PUENTE DE DIODOS

• Ciclo positivo de la entrada, los diodos A y B conducen.

• Ciclo negativo de la entrada, los diodos D y C conducen.

• Valor medio

• Frecuencia de salida

• La configuración en Puente ofrece las siguientes ventajas:

– El valor del condensador para un cierto rizado, es la mitad; con lo cual se reduce el tamaño y el precio del sistema.

– La corriente soportada por cada diodo es aproximadamente la mitad que para el de media onda, reduciendo así el espacio ocupado por los diodos y el coste del diseño.

VO(DC) 2Vm /

2 f infout

FILTRADO DE LA SEÑAL RECTIFICADA

• La tensión de salida de un rectificador tiene una componente continua (valor medio), y una parte fluctuante (componentes senoidales de varias frecuencias o armónicos).

• Se utilizan filtros de continua: L, C y LC. (L y LC en fuentes de alimentación; Cen circuitos integrados).

• Análisis de un filtro L (superposición):

• En el circuito de continua, el valor de la tensión corresponde a la tensiónmedia. A 0Hz la reactancia inductiva es cero.

• Al aumentar la frecuencia XL se hace más grande (XL aumenta con el número de armónico)

• El filtro L produce una tensión de salida continua igual al valor medio de la tensión rectificada.

FILTRO CON CONDENSADOR A LA ENTRADA

• El condensador permite el paso de bajasfrecuencias hacia la carga, e impide el paso delas altas frecuencias. (Filtro Paso Bajo).

• El diodo sólo conducirá cuando la tensión deentrada sea superior a la tensión mantenida porel condensador.

• Mientras la constante de tiempo RloadC sea mucho mayor que el periodo, el condensadorpermanece casi totalmente cargado y la tensiónen la carga es aproximadamente Vm

• Se obtiene una componente continua, y sobreella, una componente alterna, cuyo valor de rizado máximo depende del filtro,

• El valor del rizado será:

Q Vr C, Q I T Vr I / FC

y en valor eficaz, el rizado es:

siendo F = fin (Hz) en m.o. y 2fin en o.c. y p.d.

2 2CF

IV

r (ef )

CIRCUITOS RECTIFICADORES. VOLTAJE DE PICO INVERSA

VPI 2Vp

VPI Vp

VPI Vp

v2 Vp sent

CIRCUITOS RECORTADORES

• Los circuitos recortadores son aquellos que recortan una porción de la señal de entrada.

• En el ejemplo, si la tensión de entrada es superior a 6v, o inferior a –9v, recorta a dichos valores la señal de salida.

CIRCUITOS FIJADORES

• Añaden una componente continua a una señal de entrada de CA.

• Se obliga a los picos a tener un valor especificado.

• En el ejemplo, el condensador desacopla la señal de entrada CA de la alimentación DC. Si la señal de entrada intenta forzar un valor de tensión superior a –5V, el diodo entrará en conducción.

• El condensador se carga con la tensión máxima de la fuente, y en elsiguiente ciclo el diodo no conduce y el condensador se encontrará en serie con la fuente.

• La constante de tiempo RC debe ser unas 10 veces mayor que elperiodo de la señal.

CIRCUITOS LOGICOS CON DIODOS

• En el ejemplo, se muestra como crear dos puertas lógicas de 3 entradas haciendo uso de diodos.

• No todas las funciones lógicas se pueden realizar con diodos; por ejemplo, el inversor.

DIODOS ZENER O DIODOS DE AVALANCHA

• Trabajan en la zona de ruptura inversa. Dos tipos:

– Ruptura de avalancha (Aprox. Vz <= 5v).

– Ruptura zener (Aprox. Vz > 5v).

• Se usan para mantener constante la tensión en un punto.

• Características del diodo zener:

– 1.8 v < Vz < 200 v (comercialmente)

– Pmax: potencia máxima del diodo zener.

– Izmin: intensidad mínima que polariza el zener en inversa.

– Izmax: Pmax / Vz

MODELO DEL DIODO ZENER CON DIODOS IDEALES

• En este modelo, se sustituye elzener por dos diodos ideales en paralelo, incluyendo en la ramainversa una fuente de tensión con valor la tensión zener.

• Se le puede incluir en serie una Rz.

ESTABILIZACION DE LA TENSION DE SALIDA MEDIANTE ZENER

• Los reguladores de tensión se utilizan para suministrar una tensión constante a la carga, aunque fluctúe la tensión de alimentación.

• La regulación de entrada:

carg a

100%Re gulación fuente

VSS

V

V VRe gulación c arg a sin carg a plenacarg a

100% Vplenacarg a• La regulación de carga:

ESTABILIZACION DE LA TENSION DE SALIDA MEDIANTE ZENER

• Características Zener:

– Vz: tensión zener

– Izk: intensidad zener mínima para superar la “rodilla” de la característica y mantener así la Vz

– Izt: intensidad de prueba.

– Izm: intensidad zener máxima.

• Polarización y cálculo de R (valor óhmico y potencia).

• Cálculo de la Rcmin.

• Cálculo de la Vin máxima y mínima para R dado.

ESTABILIZACION DE TENSION DE SALIDA MEDIANTE ZENER

• Si en el circuito anterior, R=1k, y se utiliza un zener con las características del gráfico. Determinar la tensión de salida para Vss =15 v y para 20 voltios. Determinar el porcentaje de regulación de entrada.

Re gulación deentrada VCARGA x100%

0.5x100% 10%

5VSS

CONMUTACION Y COMPORTAMIENTO EN ALTA FRECUENCIA

• Los dispositivos electrónicos de alta velocidad precisan que el cambio de estados de conducción y no conducción sea rápido.

• El almacenamiento de carga (capacidad) de la unión pn, afectará negativamente a dicho requisito.

• La capacidad (no lineal) en una unión pn se puede deber a:

– Capacidad de transición: está asociada al almacenamiento de carga en la zona de carga espacial, en polarización inversa.

– Capacidad de difusión: aparece a causa de los portadores minoritarios almacenados en los lados opuestos de la unión con polarización directa.

CAPACIDAD DEL DIODO - CONMUTACION

• A medida que la tensión de polarización inversa aumenta, la carga almacenada en la zona de carga espacial también aumenta.

• La carga en la zona espacial es similar a la carga almacenada en un condensador de placas paralelas.

– Cj: capacidad de transición.

– Cdif: capacidad de difusión.