Diodos semiconductores

2.1. INTRODUCCIÓN

Los diodos son de las más antiguas y más ampliamente utilizada de dispositivos electrónicos. Un diodo se puede definir como un conductor casi unidireccional cuyo estado de conductividad se determina por la polaridad de sus terminales tensión. El tema de este capítulo es el diodo semiconductor, formado por la unión metalúrgica de p-tipo y materiales de tipo-n. (Un material de tipo p es un elemento del grupo IV-dopado con una pequeña cantidad de un grupo V-material; material tipo n es un grupo-IV elemento base dopado con un material del grupo III).

2.2. El diodo ideal

El símbolo de la común, o rectificador, diodo se muestra en la figura. 2-1 (a). El dispositivo tiene dos terminales,ánodo de etiquetado (tipo P) y el cátodo (tipo n), lo que hace comprensible la elección de los diodos como su propio nombre.

Cuando la tensión en los terminales es no negativo (VD0), el diodo se dice que está polarizado o''en''; la corriente positiva que fluye SABÍA 0) se llama la corriente directa. Cuando VD <0, el diodo se dice que es Polarización inversa o fuera'',''y la correspondiente corriente negativa pequeña se conoce como corriente inversa.

El diodo ideal es un ideal de dos estados dispositivo que presenta cero impedancia cuando polarizado y impedancia infinita en polarización inversa (Fig. 2-2). Tenga en cuenta que ya sea corriente o de tensión es cero en cualquier instantánea, no hay energía disipada por un diodo ideal. En las aplicaciones de circuito muchos diodo de tensión caídas y corrientes inversas son pequeños en comparación con otras variables del circuito, y luego, lo suficientemente precisa resultados se obtienen si el diodo real se modela como ideal.

El procedimiento de análisis del diodo ideal es el siguiente:

Paso 1: Supongamos que la polarización, y sustituir el diodo ideal con un corto circuito.

Paso 2: Evaluar la iD corriente del diodo, utilizando cualquier circuito lineal, el análisis de la técnica.

Paso 3: Si iD 0, el diodo está polarizado en realidad, el análisis es válido, y el paso 4 se debe omitir.

Paso 4: Si iD <0, el análisis hasta la fecha no es válida. Vuelva a colocar el diodo con un circuito abierto, lo que obligó iD = 0, y resolver respecto de las cantidades de circuito deseado utilizando cualquier método de análisis de circuitos. Tensión VD

Hay que encontrar a tener un valor negativo.

Ejemplo 2.1. Buscar vL de tensión en el circuito de la figura. 2-3 (a), donde D es un diodo

ideal. El análisis se simplifica si el equivalente de Thévenin se encuentra en el circuito a la izquierda de las terminales A, B, el resultado es

Paso 1: Después de cambiar la red a la izquierda de las terminales A, B, con el equivalente de Thévenin, asumir la polarización y sustituir el diodo D, con un corto circuito, como en la fig. 2.3 (b).Paso 2: Por la ley de Ohm,

Paso 3: Si vs≥0, entoncesiD≥0 y

Paso 4: Si vs<0 entonces iD<0 y el resultado del paso 3 no es válida. D diodo debe ser

sustituido por un circuito abierto se ilustra en la figura. 2-3 (c), y el análisis realizado de

nuevo. A partir de ahora iD=0,vL=iD RL=0 . Desde vD=v S<0, la polarización inversa del

diodo se verifica.

(Véase el problema 2.4 para una extensión de este procedimiento para un circuito MULTIDIODE.)

2.3. Características del diodo TERMINAL

El uso de la función de probabilidad de Fermi-Dirac predecir neutralización de la carga da la estática (no-tiempo-variable) la ecuación de diodo de unión actual:

………………………. (2.1)

Dónde:

V T≡kT /q ,V vD≡ Diodo terminal de tensión, V

I 0≡ Dependiente de la temperatura de saturación de corriente, A

T≡ Temperatura absoluta de la unión p-n, K

K ≡ Constante Boltzmann’s (1.38×10−23 J /K )

q ≡Carga del electrón (1.6×10−19C)

Ƞ≡ Constante empírica, una de Ge y 2 para el Si

Ejemplo 2.2 Encontrar el valor de V T en (2.1) en el 20°C. Recordando que el cero absoluto

es -273°C, escribimos:

Mientras que (2.1) sirve como un modelo útil del diodo de unión en la medida en resistencia dinámica se refiere, la figura. 2.4 muestra que tiene las regiones de la inexactitud:

1. El real (medida) hacia la caída de tensión es mayor que la prevista por (2,1) (debido a la resistencia óhmica de los contactos de metal y material semiconductor).

2. A la inversa de corriente real de −V R≤ vD<0 es mayor de lo previsto (debido a la corriente de fuga es a lo largo de la superficie del material semiconductor).

3. El actual aumento de la corriente de retorno a los valores significativamente mayores de lo

previsto para vD<−V R (debido a una fenómeno complejo denominado avalancha desglose).

En los diodos disponibles en el mercado, el dopaje adecuada (adición de impurezas) de los resultados de la base material en distintos estática características del terminal. Una comparación de la Ge-y las características del diodo Si-base se muestra en la figura. 2.5. si VR <VD <0:1 V, ambos tipos de diodos presentan una casi constante IRcorriente inversa. Por lo general, 1 A <IR <500 A

Para Ge, mientras que 10−3 μ A< IR<1 μA para el Si, para los diodos nivel de la señal

(calificaciones de corriente directa de menos de 1 A). Para una polarización, la aparición de la baja resistencia de conducción es de entre 0,2 y 0,3 V para el Ge, y entre 0,6 y 0,7 V para el Si.

Si para los dos y los diodos de Ge, el Io de saturación se duplica por un aumento de la

temperatura de 10°C, y en otros es decir, la razón de saturación a la temperatura T 2a la T 1 a

la temperatura

(2.2)

Ejemplo 2.3. Encontrar el porcentaje de aumento en la corriente inversa de saturación de un diodo si la temperatura es aumentó de 25°C a 50°C. Por (2,2),

Características estáticas de terminales son generalmente adecuados para describir el funcionamiento del diodo en baja de frecuencia. Sin embargo, si el análisis de alta frecuencia (por encima de 100 kHz) o el análisis ha de llevarse a cabo, puede que sea necesario para tener en cuenta el agotamiento de la capacidad (típicamente varios picofaradios) asociado a una unión p-n con polarización inversa, para una polarización unión p-n, un poco más grande capacidad de difusión (por lo general varios cientos de pF) que es directamente proporcional al delantero actual debe incluirse en el modelo. (Véase el problema 2.25.)

2.4. EL MODELO DE SPICE DIODE

La declaración de la especificación de elementos para un diodo explícitamente el nombre de un modelo, incluso si el valor por defecto los parámetros del modelo están destinados para su uso. La forma general de la declaración de la especificación de diodo es como siguiente, donde de manera arbitraria el nombre del modelo elegido:

D…. n1n2 Nombre del modelo

Nodo n1 es el ánodo y el n2 nodo es el cátodo del diodo. Direcciones positivas de corriente y

tensión son aclaradas por la figura. 2-1 (b).

Además, la sentencia MODEL. Control se debe agregar a la lista de red de código, incluso si el valor por defecto los parámetros son aceptables. Esta sentencia de control es

. MODELO nombre del modelo D (parámetros)

Si el campo se deja en blanco los parámetros, los valores por defecto son asignados. De lo contrario, el campo de parámetros contiene el número de especificaciones que desee en el

nombre del parámetro formato = valor. Parámetros específicos que sonde interés en este libro se documentan en la Tabla 2.1.

Ejemplo 2.4. El circuito de la figura. 2-6 (a) puede ser usado para determinar la característica estática del diodo D, siempre que la rampa de la fuente frente a períodos de tiempo suficiente

para que los efectos dinámicos sean insignificantes. Vamos rampa fuente vs de -5V a 5V en

un lapso de 2 s. Utilizar métodos de SPICE para trazar la característica del diodo de silicio

estática (a) si el diodo es no ideal con una tensión nominal de V R=4V y (b) si el diodo es

ideal.

(a) El código de netlist SPICE describe los diodos no ideales para una corriente de saturación típica es un ¼ 15 A. Uncoeficiente de emisión n  ¼ 4> 2 ha sido utilizada para producir una caída típica tensión directa de un diodo de silicio.

Después de ejecutar <Ex2_4.CIR>, I (D) se representa con la variable del eje x cambia de

vez en vD=V (1 )−V (2 )=V (1,2) da la característica del diodo de la figura estática. 6.2 (b).

Editar <Ex2_4.CIR> para mover el asterisco antes de la segunda .MODEL para el primer modelo. Declaración, con lo que la preparación para el análisis del diodo ideal. Al establecer

el parámetro coeficiente de emisión (n) a un pequeño valor asegura una caída de

tensión despreciable. Ejecutar <Ex2_5.CIR> y represente el resultado de la parte (a) dar la característica estática de la figura. 2-6 (c). La inspección de los puntos marcados en la curva muestra que el diodo es abordar el caso ideal de la corriente inversa insignificante y despreciable La caída de tensión hacia adelante.

2.5. Análisis gráfico

Una solución gráfica necesariamente supone que el diodo es resistivo y de forma

instantánea por lo tanto, caracteriza por su estáticaiD−contra−V D curva. El saldo de la

red objeto de estudio debe ser lineal, de modo que un equivalente de Thévenin existe para

ella (Fig. 2-7). Entonces, los dos sistemas de ecuaciones a resolver gráficamente para iD y

VD son la característica del diodo

(2.3)

Y la línea de carga

Ejemplo 2.5. En el circuito de la figura. 2-3 (a), frente a un vs=6V yR1=R s=RL=500Ω.

Determinar la iD y V D gráficamente, con la característica del diodo de la figura. 8.2. El circuito

se puede reducir al de la figura. 2-7, con

Y

Entonces, con estos valores de la línea de carga (2,4), deberán superponerse la característica

del diodo, como en la fig. 8.2. La solución deseada, iD=3mA y V D=0.75V , está dada por el

punto de intersección de las dos parcelas.

Ejemplo 2.6. Si todas las fuentes en la parte inicial de una red lineal varían con el tiempo,

entonces vTh es también una variable en el tiempo en la fuente. En forma reducida [fig. 2-9

(a)], una de esas redes tiene un voltaje de Thévenin que es una onda triangular con un pico

de 2-V. Buscar iD y V D de esta red.

En este caso no existe un valor único de iD que satisface las ecuaciones (2.3) y (2,4), sino

que hay existe un valor de iD correspondiente a cada valor que v th toma. Una solución

aceptable para iD se pueden encontrar por considerando un número finito de valores de v th

. Dado que v th es repetitivo,iD será repetitivo (con el mismo período), por lo que

sólo un ciclo es necesario considerar.

Al igual que en la figura. 2-9 (b), se empieza por trazar un plan a escala de v thV en función del

tiempo, con el eje paralelo al eje vDde la característica del diodo. A continuación, seleccione

un punto de la gráfica v th, como el v th=0.5V en t = t1. Teniendo en cuenta el tiempo de

se detuvo en t = t1, se construye una línea de carga para este valor en la trama de

diodos característica, sino que corta el eje en el vD, y el eje de identidad en v th=0.5V ; y el

eje iD en el eje v th/Rth=0.5 /50=10mA. Nosotros determinamos el valor de la iD en

los que esta línea de carga intersección con la característica, y trazar el punto (t1; iD) en

un tiempo-contra-iD sistema de coordenadas construido a la izquierda de la

curva característica del diodo. A continuación, dejar que avance el tiempo a un valor nuevo, t = t2, y repetir todo el proceso.

Y seguimos hasta un ciclo de v th se ha completado. Desde la línea de carga cambia

continuamente, lo que se conoce como un línea de carga dinámica. La solución, una parcela

de iD, difiere radicalmente de forma de la parcela de la v th a causa de la la no linealidad del

diodo.

Ejemplo 2.7. Si los dos DC y fuentes variables en el tiempo están presentes en la parte

original de una red lineal, entonces v th es una combinación en serie de un CC y una fuente

variable en el tiempo. Supongamos que la fuente de Thévenin para un determinado red combina una batería de 0,7 V y una fuente sinusoidal de 0,1 V de pico, como en la figura. 2.10

(a). Buscar iD y V D para de la red.

Trazamos un plan a escala de v th , con el v th eje paralelo al eje vD de la curva característica

del diodo. Nosotros entonces considere v th , el componente de CA de v th , para ser

momentáneamente en cero (t=0), y trazamos una línea de carga en ese instante

En este caso no existe un valor único deiD que satisface las ecuaciones (2.3) y (2,4), sino que

hay existe un valor de iD correspondientes a cada valor que V th toma. Una solución aceptable

para iD se pueden encontrar por considerando un número finito de valores de V th . Dado que

V th es repetitivo,iD será repetitivo (con el mismo período), por lo que sólo un ciclo es

necesario considerar.

Al igual que en la figura. 2-9 (b), se empieza por trazar un plan a escala de V th en función del

tiempo, con el eje paralelo al eje V D de la característica del diodo. A continuación, seleccione

un punto de la gráfica V th , como el V th=0.5V en t = t1. Teniendo en cuenta el tiempo de se

detuvo en t = t1, se construye una línea de carga para este valor en la trama de diodos

característica, sino que corta el eje en el V D V ¼ 0:5 V, y el eje Corriente del diodo a V = ¼

CRT 0:5 = 50 = 10 mA. Nosotros determinamos el valor de la identificación en los que esta línea de carga intersección con la característica, y trazar el punto (t1; iD) en un tiempo-contra-iD sistema de coordenadas construido a la izquierda de la curva característica del diodo. A continuación, dejar que avance el tiempo a un valor nuevo, t = t2, y repetir todo el proceso.

Y seguimos hasta un ciclo de V se ha completado. Desde la línea de carga cambia continuamente, lo que se conoce como un línea de carga dinámica. La solución, una parcela

de iD, difiere radicalmente de forma de la parcela de la V a causa de la no linealidad del diodo.