ELECTRÓNICA

Tema 1: Componentes Electrónicos

El diodo

Profesor: René Nova

Componentes electrónicos: El diodo

• Introducción: representación de componentes eléctricos en diagrama V-I

• Características eléctricas de un diodo semiconductor

Característica real

Linealización de la característica de un diodo

• Interpretación de los datos de un catálogo

• Diodos especiales

• Asociación de diodos

• Aplicaciones

Introducción: Representación del componentes eléctricos en diagrama V-I

+

-

V

I I

V

Corto(R = 0)

+

-

V

I I

V

Abierto(R = ∞)

+

-V

I I

VBatería

+

-

I I

VResistencia(R)

V

I+

-V

VFuenteCorriente

I

+

-

V

I

P

N

I

V

CARACTERÍSTICA DEL DIODO

Idealmente, permite corriente directa (se comporta como un cable) y bloquea o no permite la corriente inversa (se comporta como un cable roto)

¡¡ PRESENTA UN COMPORTAMIENTO NO LINEAL !!

ANÉCDOTAUn símil hidráulico podría ser una válvula anti-retorno, permite pasar el agua (corriente) en un único sentido.

h1h2

h1 - h2

Caudal

Funcionamiento de una válvula anti-retorno

Introducción a la física de estado sólido: semiconductores

Semiconductor extrínseco: TIPO N

Impurezas grupo V

300ºK

Electrones libres Átomos de impurezas ionizados

Los portadores de carga en un semiconductor tipo N son electrones libres

+

+

++

+

+

++

+

+

+

+

+

+

+

+

Introducción a la física de estado sólido: semiconductores

Semiconductor extrínseco: TIPO P

300ºK

Huecos libres Átomos de impurezas ionizados

Los portadores de carga en un semiconductor tipo P son huecos. Actúan como portadores de carga positiva.

-

-

--

-

-

--

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-

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-

-

La unión P-N

La unión P-N en equilibrio

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-

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-

-

-

- +

+

+ + +

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Semiconductor tipo P Semiconductor tipo N

La unión P-N

La unión P-N en equilibrio

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Semiconductor tipo P Semiconductor tipo N

-

-

-

- +

+

+ +

+

+-

Zona de transición

Al unir un semiconductor tipo P con uno de tipo N aparece una zona de carga espacial denominada ‘zona de transición’. Que actúa como una barrera para el paso de los portadores mayoritarios de cada zona.

La unión P-N

La unión P-N polarizada inversamente

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

++

+

+

+

-

-

-

- +

+

+ +

+

-

-

-

-

+

+

+

+

+

La zona de transición se hace más grande. Con polarización inversa no hay circulación de corriente.

P N

La unión P-N

La unión P-N polarizada en directa

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

++

+

+

+

-

-

-

- +

+

+ +-

-

-

-

+

+

+

+

+

La zona de transición se hace más pequeña. La corriente comienza a circular a partir de un cierto umbral de tensión directa.

P N

+

La unión P-N

La unión P-N polarizada en directa

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

++

+

+

+

-

-

-

- +

+

+ +-

-

-

-

+

+

+

+

+

La recombinación electrón-hueco hace que la concentración de electrones en la zona P disminuya al alejarse de la unión.

P N

+

Concentración de huecos Concentración de electrones

La unión P-N

Conclusiones:

Aplicando tensión inversa no hay conducción de corriente

Al aplicar tensión directa en la unión es posible la circulación de corriente eléctrica

P N

DIODO SEMICONDUCTOR

p n

ánodo cátodo

A K

Símbolo

IS = Corriente Saturación InversaK = Cte. Boltzman VD = Tensión diodoq = carga del electrónT = temperatura (ºK)ID = Corriente diodo

Silicio Germanio

DIODO REAL

1TK

qV

SD

D

eII

V [Volt.]

0

1

0.25-0.25

i [mA]

0.5

Ge Si

V [Volt.]

0

1

0.25-0.25

i [mA]

0.5

Ge Si

0 1-4

30

i [mA]

V [Volt.]

GeSi

DIODO REAL (Distintas escalas)

-0.8

-0.5 0

i [A]

V [Volt.]

-10

-0.5 0

i [pA]

V [Volt.]

GeSi

Ge: mejor en conducciónSi: mejor en bloqueo

DIODO: DISTINTAS APROXIMACIONES

I

V

Solo tensión de codoGe = 0.3Si = 0.6

I

V

Tensión de codo yResistencia directa

I

V

Ideal

I

V

Curva real(simuladores, análisis gráfico)

DIODO: LIMITACIONES

I

V

Corriente máxima

Límite térmico, sección del conductor

Tensión inversa máxima

Ruptura de la Unión por avalancha

600 V/6000 A200 V /60 A 1000 V /1 A

VR = 1000V Tensión inversa máximaIOMAX (AV)= 1A Corriente directa máximaVF = 1V Caída de Tensión directaIR = 50 nA Corriente inversa

VR = 100V Tensión inversa máximaIOMAX (AV)= 150mA Corriente directa máximaVF = 1V Caída de Tensión directaIR = 25 nA Corriente inversa

DIODO: Parámetros facilitados por fabricantes

Vd

id

iS

VR

IOmax

NOTA:Se sugiere con un buscador obtener las hojas de características de un diodo (p.e. 1N4007). Normalmente aparecerán varios fabricantes para el mismo componente.

DIODO: Parámetros facilitados por fabricantes

Tiempo de recuperación inversa

+U E R

iSU E

Baja frecuencia

iS

Alta frecuencia

iS

trr = tiempo de recuperación inversa

A alta frecuencia se aprecia un intervalo en el cual el diodo conduce corriente inversa.

DIODOS ESPECIALES

Diodo Zener (Zener diode) La ruptura no es destructiva.(Ruptura Zener).

En la zona Zener se comporta como una fuente de tensión (Tensión Zener).

Necesitamos, un límite de corriente inversa.

Podemos añadir al modelo lineal la resistencia Zener.

Aplicaciones en pequeñas fuentes de tensión y referencias.

I

V

TensiónZener(VZ)

Límite máximo

Normalmente, límite de potencia máxima

DIODOS ESPECIALES

Diodo LED (LED diode) Diodo emisor de Luz = Light Emitter Diode

El semiconductor es un compuesto III-V (p.e. Ga As). Con la unión PN polarizada directamente emiten fotones (luz) de una cierta longitud de onda. (p.e. Luz roja)

A KA K

DIODOS ESPECIALES

Fotodiodos (Photodiode)

0

i

V

iopt

Los diodos basados en compuestos III-V, presentan una corriente de fugas proporcional a la luz incidente (siendo sensibles a una determinada longitud de onda).

Estos fotodiodos se usan en el tercer cuadrante. Siendo su aplicaciones principales:

Sensores de luz (fotómetros)Comunicaciones

COMENTARIOLos diodos normales presentan variaciones en la corriente de fugas proporcionales a la Temperatura y pueden ser usados como sensores térmicos

i

0

V T1

T2>T1

El modelo puede ser una fuente de corriente dependiente de la luz o de la temperatura según el caso

I = f(T)

DIODOS ESPECIALES

Células solares (Solar Cell)

i

V VCA

iCC

Cuando incide luz en una unión PN, la característica del diodo se desplaza hacia el 4º cuadrante.

En este caso, el dispositivo puede usarse como generador.

Paneles de células solares

Zonauso

DIODOS ESPECIALES

Diodo Schottky (Schottky diode)

•Unión Metal-semiconductor N. Produciéndose el llamado efecto schottky.

•La zona N debe estar poco dopada.

•Dispositivos muy rápidos (capacidades asociadas muy bajas).

•Corriente de fugas significativamente mayor.

•Menores tensiones de ruptura.

•Caídas directas mas bajas (tensión de codo 0.2 V).

•Aplicaciones en Electrónica Digital y en Electrónica de Potencia

El efecto Schottky fue predicho teóricamente en 1938 por Walter H. Schottky

ASOCIACIÓN DE DIODOS

DISPLAY

Diodo de alta tensión (Diodos en serie)

Puente rectificador

+

-

+

-

Monofásico

Trifásico

APLICACIONES DE DIODOS

Detectores reflexión de objeto

Detectores de barrera

APLICACIONES DE DIODOS

Sensores de luz: FotómetrosSensor de lluvia en vehículosDetectores de humoTurbidímetrosSensor de Color

LED

Fotodetector

LED azul

LED verde

LED rojo Fotodiodo

Objetivo

LED

COMENTARIOS SOBRE CIRCUITOS

Los diodos (y el resto de dispositivos electrónicos) son dispositivos no lineales.

¡Cuidado, no se puede aplicar el principio de superposición!

VE

VS

VE

R

VMAX

MAXV

EJEMPLO TÍPICO:RECTIFICADOR

+

-

ID

VD

VE

t

t

VS

t

TH

TH

R

V

THV

Característica del diodo

Característica del circuito lineal (RECTA DE CARGA)

PUNTO DE FUNCIONAMIENTO

I

V

RECTA DE CARGA Y PUNTO DE FUNCIONAMIENTO

+

-

ID

VDVTH

RTH

CIRCUITOLINEAL

ID

VD