TEMA 4.2 Diodos - Física de Semiconductores PDF

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Profesores: Jose San Martín López, Lucía Serrano Luján...

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Tema 4 (II) – Física de Semiconductores. Diodos. Diodos

José San Martín

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Tema 4 – Física de Semiconductores Índice

4.2 Diodos de unión. • • • • • • • •

La unión p-n polarizada. Curvas características del diodo. Características de los diodos. Circuitos con diodos: Diodo rectificador. Diodo Zener. Diodo LED. Diodo de conmutación. Aplicaciones de los diodos. Física

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Tema 4 – Física de Semiconductores

4.2.1 Diodos de unión. La unión p-n polarizada. Un diodo es un elemento de unión p-n que no mantiene una relación lineal entre el voltaje en sus terminales y la corriente que discurre por él. El comportamiento se adecua a un determinada curva característica. En su funcionamiento ideal se va a comportar como conductor ideal en una dirección de corriente (salvo por una pequeña caída de potencial) y como aislante en otra dirección.

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Tema 4 – Física de Semiconductores La caída de potencial se debe a vencer la barrera de potencial que aparece en la unión P-N de los dos materiales de los que está compuesto. El símbolo que representa al diodo es: • •

El lado p se llama ánodo y el lado n cátodo La flecha apunta del lado p al lado n.

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Tema 4 – Física de Semiconductores 4.2.2 Curva característica del Diodo –

Cuando el diodo está polarizado en directa no hay corriente significativa hasta que la tensión sea superior a la barrera de potencial.

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Cuando el diodo está polarizado en inversa, casi no hay corriente inversa hasta que la tensión en el diodo alcanza la tensión de ruptura, entonces la avalancha produce una gran tensión inversa destruyendo el diodo. Física

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Tema 4 – Física de Semiconductores 4.2.3 Características de los diodos –

Tensión umbral: es la tensión a partir de la cual la corriente empieza a incrementarse radicalmente. La tensión umbral del diodo es igual a la barrera de potencial de la unión p-n.

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Resistencia Interna: a tensiones superiores a la tensión umbral, la corriente del diodo crece rápidamente. La causa está en que una vez superada la barrera de potencial, lo único que se opone a la corriente es la resistencia de las zonas p y n. La suma de las resistencias óhmicas de las dos zonas del semiconductor se denomina resistencia interna del diodo

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Tema 4 – Física de Semiconductores Características de los diodos –

Si la corriente supera las características constructivas del diodo, el calor excesivo destruirá el diodo.

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Se puede calcular la disipación de potencia de un diodo análogamente a la forma que se hace para una resistencia.

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La limitación de potencia en la hoja de características del diodo indicará cuánta potencia puede disipar el diodo sin degradar sus propiedades ni llegar a destruir el componente. Física

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Tema 4 – Física de Semiconductores Diodo ideal. –

Un diodo ideal se comporta como conductor si está polarizado en la dirección directa (conductor perfecto → R=0) y se comporta aislante sin está polarizados en la dirección inversa (aislante perfecto → R=∞ hasta la tensión de ruptura).

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Un diodo ideal actúa como un interruptor que se cierra al tener polarización directa y se abre con la polarización inversa. Física

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Tema 4 – Física de Semiconductores Diodo ideal.

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Para determinar un valor exacto de la corriente y la tensión de carga es necesaria una segunda aproximación.

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En este modelo no habrá corriente hasta superar la barrera de potencial de la unión p-n, en el caso del Silicio 0,7 V en bornes del diodo.

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En ese punto el diodo se activa y de ahí en adelante la caída de potencial es, independientemente de la carga, siempre de 0,7 V en bornes del diodo. Física

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En una nueva aproximación, debe tenerse en cuenta que después de que el diodo comienza a conducir, la tensión aumenta proporcionalmente al incremento de la corriente.

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Debe incluirse la caída de tensión en la resistencia interna del diodo a la tensión total del diodo.

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La siguiente figura compara el comportamiento de una unión p-n ideal con un diodo real.

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Tensión inversa de Ruptura: Para tensiones superiores a la tensión de ruptura se produce en la unión p-n del el diodo el régimen de avalancha La tensión de ruptura puede ser designada por VR. Es la tensión que el fabricante recomienda no sobrepasar para una operación en polarización i inversa.

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Caída de tensión en directa, VF: Si bien el valor más común es 0.7V, en muchas ocasiones los fabricantes aportan datos detallados de esta caída de tensión, mediante la gráfica V-I del dispositivo.

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Corriente máxima en directa: Es la corriente continua máxima que puede atravesar el diodo en directa sin que este sufra ningún daño, puesto que una alta corriente puede provocar un calentamiento por efecto Joule excesivo. En definitiva puede ser de tres tipos: •

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Máxima continua IFM, de pico transitoria o de pico repetitivo, en cada caso con un valor diferente.

Corriente en inversa, IR: Máximo valor de corriente admisible en polarización inversa. Se ve afectada con la temperatura. Física

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Tema 4 – Física de Semiconductores Recta de Carga –

La recta de carga es una característica del diodo y se emplea para hallar el valor exacto de la corriente y la tensión del diodo a partir de la curva característica

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Tema 4 – Física de Semiconductores 4.2.4 Circuitos con diodos: Diodo rectificador. •

Para el método general de resolución de un circuito electrónico se va a suponer un estado inicial y sustituiremos el diodo por su circuito equivalente.

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Calculamos los valores de polarización, si estos son coherentes con la suposición de modo de funcionamiento del diodo, diodo habremos tenido éxito en el análisis, si por el contrario llegamos a resultados contradictorios con la suposición inicial volveremos al principio cambiando las consideraciones de partida.

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Normalmente, el conocimiento de los dispositivos nos indicará, en la mayoría de los casos cuales son los puntos de partida correctos.

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Tema 4 – Física de Semiconductores Rectificación con diodos. –

La fuente de corriente alterna produce una tensión sinusoidal. El objetivo de los circuitos rectificadores es convertir la señal en similar a una señal continua.

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Estudiaremos 3 circuitos: • • •

Circuito rectificador de Media Onda. Circuito Rectificador de Onda Completa mediante puente rectificador. Rectificación mediante diodo-condensador. Física

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Tema 4 – Física de Semiconductores Circuito rectificador de Media Onda.

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Tema 4 – Física de Semiconductores Circuito de Puente rectificador.

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Semiperiodo (positivo)

Semiperiodo (negativo)

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Tema 4 – Física de Semiconductores Rectificación mediante diodo-condensador.

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Tema 4 – Física de Semiconductores Rectificación mediante diodo-condensador.

Semiperiodo (positivo)

Semiperiodo (negativo) Física

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En vacío, sin carga RL La tensión que vemos es la del condensador cargado

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Con carga RL En el semiperiodo negativo, La corriente que circula por la carga RL proviene de la descarga del condensador.

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Tema 4 – Física de Semiconductores 4.2.5 Diodo Zener. Los diodos zener son diodos estabilizadores de tensión, se emplean para producir una tensión entre sus extremos constante y relativamente independiente de la corriente que los atraviesa. Aprovechan, para su funcionamiento, una propiedad que presenta la unión semiconductora cuando se polariza inversamente por encima de un determinado nivel. Un diodo que recibe una polarización inversa no permite el paso de la corriente, sin embargo, al alcanzar una determinada tensión, denominada tensión zener se produce un aumento de la cantidad de corriente, de forma tal que esta diferencia de potencial entre sus extremos se mantiene prácticamente constante, aunque se intente aumentar o disminuir a base de variar la intensidad que lo atraviesa. Física

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Tema 4 – Física de Semiconductores El símbolo del diodo zener es:

Los parámetros que caracterizan a un diodo zener son: - Tensión zener (Vz). - Corriente minima para alcanzar la Vz (Iz). - Potencia máxima (P/tot) que es capaz de disipar. Física

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Tema 4 – Física de Semiconductores 4.2.6 Diodo LED. Un LED, del inglés Diodo emisor de luz, es un diodo que va a emitir luz cuando esté polarizado en directa. Así pues va a indicar cuándo le está atravesando una corriente y por ello se utiliza en muchos casos como indicador. El color del LED va a depender del material semiconductor empleado en la construcción del diodo. Física

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Tema 4 – Física de Semiconductores 4.2.7 Diodo de conmutación •

Los diodos de conmutación o rápidos se caracterizan por ser capaces de trabajar con señales de tipo digital que presenten unos tiempos de subida y bajada de sus flancos muy breves.

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El factor o parámetro que caracteriza a estos diodos es el tiempo de recuperación inverso (TRR) que expresa el tiempo que tarda la unión P-N en desalojar la carga eléctrica que acumula, cuando se encuentra polarizada inversamente (efecto similar a la acumulación de carga de un condensador), y recibe súbitamente un cambio de tensión que la polariza en sentido directo. Física

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Pueden ser considerados rápidos aquellos diodos con un TRR inferior a 400 nanosegundos, en modelos de media potencia, para los de baja potencia este tipo es del orden de los 5 nanosegundos.

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Estudiaremos el paso de corte (OFF) a conducción (ON) y viceversa. El circuito a plantear es de rectificación en media onda con señal de entrada digital.

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En el paso de OFF a ON se observa que la tensión no cambia inmediatamente, sino que aumenta gradualmente hasta 0,7 V tardando un cierto tiempo que llamamos Tiempo de recuperación directa ( ).

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El paso de conducción a corte, de OFF a ON, tampoco es instantáneo y se puede apreciar como la tensión en los bornes del diodo cambia durante un tiempo llamado Tiempo de recuperación inversa ( ), que consta de un Tiempo de almacenamiento ( ) y un Tiempo de Transición ( ).

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Tema 4 – Física de Semiconductores •

El comportamiento de un diodo de conmutación se puede modelar mediante la incorporación de un condensador entre el ánodo y el cátodo, de manera distinta según tengamos polarización directa (capacidad de difusión) o inversa (capacidad de transición)

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Tema 4 – Física de Semiconductores •

El paso de corte a conducción supone la carga de Cd que dura un tiempo Tfr.

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El paso de conducción a corte supone dos fases: – –

primero se debe retirar la carga almacenada en Cd mediante una corriente en sentido inverso (Ts) después hay que cargar Cd, hasta la tensión inversa aplicada(Tt).

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Tema 4 – Física de Semiconductores 4.2.8 Aplicaciones de los diodos. Circuito limitador de tensión. El circuito va a proteger en el semiperiodo positivo o en ell negativo ti o en ambos, b una parte t d dell circuito, i it limitando su tensión a la caída en bornes de un diodo, normalmente 0,7 V. La resistencia RS protege a los diodos, limitando la corriente total del circuito.

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Índice 5.3 Puertas lógicas. 5.3.1 Descripción de puerta lógica. 5.3.2 Clasificación de puertas lógicas. 5 3 3 Aplicaciones principales 5.3.3 principales.

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Tema 5 – Puertas lógicas •

El diodo presenta tiene dos estados de conducción (ON/OFF) por lo que es adecuado para realizar circuitos eléctricos digitales.

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Los diseños que se muestran no tienen implementación actual en la práctica, pero constituyen un ejemplo de circuitos lógicos construidos con diodos (OR y AND) y transistores (NOR). Fundamentos Físicos

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Tema 5 – Puertas lógicas 1.- Puerta lógica OR Para tres entradas, la tabla de la verdad sería:

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Para analizar el circuito consideramos que la tensión de alimentación es VCC=5v y que la tensión directa del diodo es de VD = 0,7 v.

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Analizamos el comportamiento del circuito para las distintas combinaciones de entradas.

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Tema 5 – Puertas lógicas De acuerdo a la figura, el divisor de tensión hace que el valor VOUT sea: 

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Tema 5 – Puertas lógicas •

Si cualquiera de las entradas 1 ó 2 tiene un valor, por ejemplo en el diodo 1 de manera que se cumpla: 

El diodo conducirá.

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Si ninguna entrada supera ese valor, los diodos estarán en corte y la tensión de salida será exactamente:      

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Lo que para un valor de diseño R1>>R2, hace la salida casi nula, “0” lógico. Fundamentos Físicos

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Tema 5 – Puertas lógicas Si alguna entrada está a nivel alto de tensión, conducirá el diodo correspondiente fijando la tensión de salida en:    

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Tema 5 – Puertas lógicas 2.- Puerta lógica AND •

Para analizar el circuito consideramos que la tensión de alimentación es VCC=5v y que la tensión directa del diodo es de VD = 0,7 v.

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En este caso si suponemos que los diodos están en corte, la tensión de sus ánodos será 5 V.

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Para que conduzca un diodo necesitamos que el voltaje en su cátodo sea 0,7 V menor que en su ánodo. Fundamentos Físicos

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Tema 5 – Puertas lógicas

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Tema 5 – Puertas lógicas •

Si V1 = V2= VCC, los diodos estarán en corte y la tensión de salida es exactamente VCC: VOUT=VCC=5V

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Luego tenemos un valor de 5V, un (1), AND de las entradas en la salida.

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Si alguna entrada no está a 5V, conducirá el diodo correspondiente, de manera que: VOUT=0,7V o “0” lógico Fundamentos Físicos

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