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EL DIODO

Fundamentos de Electrónica - El Diodo

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Tema 2 - EL DIODO. 2.1.- El DIODO semiconductor. 2.1.0.- Introducción. 2.1.1.- La unión PN en circuito abierto (o sin polarizar). 2.1.2.- La unión PN polarizada: Polarización inversa. Polarización directa. 2.1.3.- Ecuación del diodo. 2.1.4.- Curva característica estática del diodo: Característica directa: Tensión umbral. Característica inversa: Tensión de ruptura. Influencia de la temperatura sobre la característica. 2.1.5.- Resistencias del diodo. 2.1.6.- Capacidades del diodo. Tiempos de conmutación. 2.1.7.- Aproximaciones (linealización) del diodo. 2.1.8.- El diodo como elemento de un circuito. Recta de carga. 2.2.- El ZENER y otros tipos de diodos. 2.3.- Aplicaciones del diodo: Circuitos limitadores o recortadores. Rectificación y filtrado. Fundamentos de Electrónica - El Diodo

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2.1.- El DIODO semiconductor. 2.1.0.- INTRODUCCIÓN.

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2.1.1.- La UNIÓN PN en Circuito ABIERTO (o sin polarizar)

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2.1.2.- La UNIÓN PN POLARIZADA POLARIZACIÓN

INVERSA

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POLARIZACIÓN

DIRECTA

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Tema 2 - EL DIODO. 2.1.- El DIODO semiconductor. 2.1.0.- Introducción. 2.1.1.- La unión PN en circuito abierto (o sin polarizar). 2.1.2.- La unión PN polarizada: Polarización inversa. Polarización directa. 2.1.3.- Ecuación del diodo. 2.1.4.- Curva característica estática del diodo: Característica directa: Tensión umbral. Característica inversa: Tensión de ruptura. Influencia de la temperatura sobre la característica. 2.1.5.- Resistencias del diodo. 2.1.6.- Capacidades del diodo. Tiempos de conmutación. 2.1.7.- Aproximaciones (linealización) del diodo. 2.1.8.- El diodo como elemento de un circuito. Recta de carga. 2.2.- El ZENER y otros tipos de diodos. 2.3.- Aplicaciones del diodo: Circuitos limitadores o recortadores. Rectificación y filtrado. Fundamentos de Electrónica - El Diodo

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2.1.3.- ECUACIÓN del DIODO

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2.1.4.- CURVA CARACTERÍSTICA estática del diodo

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CARACTERÍSTICA DIRECTA: TENSIÓN UMBRAL

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CARACTERÍSTICA INVERSA: TENSIÓN DE RUPTURA

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INFLUENCIA de la TEMPERATURA sobre la CARACTERÍSTICA

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2.1.5.- RESISTENCIAS del DIODO

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Tema 2 - EL DIODO y sus APLICACIONES. 0.- Introducción. 1.- La unión PN en circuito abierto (o sin polarizar). 2.- La unión PN polarizada: Polarización inversa. Polarización directa. 3.- Ecuación del diodo. 4.- Curva característica estática del diodo: Característica directa: Tensión umbral. Característica inversa: Tensión de ruptura. Influencia de la temperatura sobre la característica. 5.- Resistencias del diodo. 6.- Capacidades del diodo. Tiempos de conmutación. 7.- Aproximaciones (linealización) del diodo. 8.- El diodo como elemento de un circuito. Recta de carga. 9.- El diodo ZENER. Otros tipos de diodos. 10.- Aplicaciones del diodo: Circuitos limitadores o recortadores. Rectificación y filtrado. Fundamentos de Electrónica - El Diodo

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2.1.6.- Capacidades del diodo. Tiempos de recuperación. Dentro de los semiconductores se producen acumulaciones de carga eléctrica con efecto capacitivo asociado. Provocan retardos (tiempos de conmutación) y aumentan la potencia disipada en conmutación. Son de escaso valor, del orden de picofaradios (pF). Afectan al funcionamiento del diodo sobre todo trabajando en conmutación a altas frecuencias. En la unión PN hay: •carga espacial debida a los iones sin compensar a ambos lados.

Ambas dependen de la tensión V aplicada al diodo

•carga difundida constituida por los portadores mayoritarios que la atraviesan. Una variación de tensión dV produce una variación de carga dq

=>

Capacidad dinámica C = dq/dV

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Capacidad de transición (CT). Debida a la carga espacial.

dLP

L

dLN

Diodo polarizado en inversa: Los mayoritarios se alejan de la zona de transición => la anchura de esta aumenta. Con una variación de tensión dV => la anchura de la zona de transición pasa de (L) a (L+dLP+dLN). Como la carga espacial es proporcional a la anchura, se inducen dos variaciones de carga: +dq y –dq. Capacidad de transición se define como:

CT = dqP/dV ;

Si la tensión inversa ↑ => L ↑ => CT ↓ Con polarización directa también hay CT pero su valor es despreciable frente a CD (capacidad de difusión). Fundamentos de Electrónica - El Diodo

CT = ε A/L ε = permitividad A= sección l = anchura

CT ≈ 5 a 200pF 38

Capacidad de difusión (CD). Debida a la carga difundida por los portadores mayoritarios que atraviesan la unión. Diodo polarizado en directa: La barrera de potencial se reduce. Los mayoritarios de la zona P pasan a través de la unión a la zona N donde pasan a ser minoritarios. => se inyectan huecos de P a N. Los mayoritarios de la zona N pasan a través de la unión a la zona P donde pasan a ser minoritarios. => se inyectan electrones de N a P. Los portadores difundidos tardan un tiempo en recombinarse => exceso de minoritarios (carga difundida o almacenada) a ambos lados de la unión. Con una variación de tensión dV => variación de la carga difundida. Capacidad de difusión (o de almacenamiento) se define como CD = dqD/dV ; CD es proporcional a la corriente => en polarización inversa CD es muy pequeña frente a CT. CD≈ 2000pF Fundamentos de Electrónica - El Diodo

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Capacidades del diodo. Polarización directa: CD >> CT

Predomina la capacidad de difusión CD.

Polarización inversa: CT >> CD

Predomina la capacidad de transición CT.

Circuito equivalente del diodo para variaciones de la tensión (pequeñas señales) alrededor del punto de funcionamiento: rd

ri

P

N

CD Polarización directa

P

N

CT Polarización inversa

Estas capacidades pueden tener importancia cuando el diodo trabaja a frecuencias elevadas. Fundamentos de Electrónica - El Diodo

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Tiempos de conmutación del diodo. El paso de un diodo de conducción (polarización directa ) a boqueo (polarización inversa) y viceversa, no es instantáneo, precisa de un tiempo llamado tiempo de conmutación o tiempo de recuperación. Los retardos se deben a la carga/descarga de las pequeñas capacidades internas CT y CD. - Tiempo de recuperación en directa (t fr: time forward recovery): Tiempo en pasar de bloqueo (inversa) a conducción (directa). - Tiempo de recuperación en inversa (t rr : time reverse recovery): Paso de conducción (directa) a bloqueo (inversa). t rr es el mayor. Cuando el diodo pasa de conducción a bloqueo es cuando se pueden producir problemas en la práctica. Tiempo de recuperación inversa t rr El orden de magnitud de t rr oscila entre el ns y el μs según el tipo de diodo.

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Tiempo de recuperación inversa (trr)

t1

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t2

t3

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Tiempo de recuperación inversa (trr) En conducción el número de minoritarios es grande, ya que han sido inyectados desde la otra región donde eran mayoritarios. En bloqueo el número de minoritarios es pequeño y se anula en la zona de transición, ya que son barridos de la unión por el potencial de barrera.

Conducción

Bloqueo

Lejos de la unión están las concentraciones de equilibrio térmico npo y pno. El paso de conducción a bloqueo no es instantáneo, ya que la distribución de minoritarios no puede pasar bruscamente de la situación representada en (a) a la (b). El proceso se realiza paulatinamente. Aunque el diodo ya este polarizado en inversa (en t1), hasta que la concentración de minoritarios inyectados en exceso no se haga cero, el diodo conducirá una corriente importante. (entre t1 y t2 I ≈ - V N/R). En t2 el exceso de minoritarios se hace cero (se eliminan los portadores inyectados). Situación similar a una unión no polarizada => La tensión en el diodo se hace cero. Fundamentos de Electrónica - El Diodo

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Tiempo de recuperación inversa (trr)

t1

t2

t3

A partir de t2 los pocos minoritarios que quedan, van siendo eliminados y el diodo empieza a adquirir capacidad de bloqueo; la tensión en sus extremos se invierte y va creciendo; la corriente va disminuyendo hasta –Is. En t3 IPN es 10 veces menor que (-VN/R). Fundamentos de Electrónica - El Diodo

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Tiempo de recuperación inversa (trr) El intervalo de tiempo t2 - t 1 se denomina tiempo de almacenamiento (ts). Se define como el tiempo necesario para eliminar la carga inyectada. El intervalo de tiempo t3 - t 2 se denomina tiempo de transición (tt) El tiempo de recuperación inversa (trr) es: trr = ts + tt.

t1

t2

t3

Se define como el tiempo transcurrido desde que se invierte la tensión hasta que el diodo alcanza la capacidad de bloqueo: ( IPN = - IS ; VPN = - VN )

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2.1.7.- APROXIMACIONES (LINEALIZACIÓN) del diodo CARACTERÍSTICA REAL DEL DIODO y su linealización:

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OTRAS CARACTERÍSTICAS (más simplificadas):

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2.1.8.- EL DIODO como elemento de un circuito. RECTA DE CARGA

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