clase25-09,29-9 y 1
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04/10/2014 DIODO Definición: • • • Dispositivo Semiconductor Dos terminales Permite la Circulación de corriente ( I ) en un solo sentido Símbolo y convenciones V - I: + VF - VR + - IR IF Relación V – I (Modelo Diodo Ideal) I = Is [ exp (VD/UT) – 1] + VD I - Is Fabricación UT = k T / q 1 04/10/2014 I = Is [ exp (VD/UT) – 1] • • • • Dos diodos se diferencian entre si a través del valor de Is Is refleja el proceso de fabricación (material, concentraciones, dimensiones) Is depende de la temperatura. La Vϒ (Tensión umbral) se define como la tensión que produce el 1% del valor de corriente máxima que puede conducir el Diodo IM 1% IM Limitaciones del modelo del Diodo Semiconductor - Resistencia serie ( Rs ) - Generación en Zona de Depleción - Máxima Tensión Inversa (VBR) - Recombinación en Zona de Depleción - Capacidad de Juntura ( Cj ) - Máxima Temperatura de Juntura (TjM) - Capacidad de difusión ( CD ) - Máxima Corriente Directa ( IFM ) RR ID = Is [ exp (VD/UT) – 1] CD CJ Rs VBR RZ 2 04/10/2014 Generación en Zona de Deplexion Corriente inversa mayor que Is Tendencia a la Generación Con polarización inversa en ZD el producto p x n < ni2 𝐸 𝑃 𝑛𝑝0 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + + + + + + + + + _ _ _ _ + + + + + _ _ _ _ + + + + + −𝑥𝑝𝑅 𝑊𝑃 𝑁 𝑝𝑛0 𝑥 𝑥𝑛𝑅 0 𝑊𝑁 𝑉𝑅 La corriente inversa medida es mayor que Is MAXIMA TENSION INVERSA 𝐸 𝑃 𝑛𝑝0 𝑊𝑃 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + + + + + + + + + _ _ _ _ + + + + + _ _ _ _ + + + + + −𝑥𝑝𝑅 0 𝑁 𝑝𝑛0 𝑥 𝑥𝑛𝑅 𝑊𝑁 𝑉𝑅 • Los portadores minoritarios que atraviesan la Zona de deplexion son acelerados por el campo. • Al atravesar la ZD los portadores chocan con los átomos, en estos choques, si los portadores tienen la energía cinética suficiente, pueden liberar electrones de la ligaduras covalentes de los átomos. Estos electrones son nuevos portadores El proceso de generación de portadores por choque en la ZD se llama “Avalancha” y se produce cuando el campo (𝐸𝑀𝐴𝑋 ) en la ZD alcanza el valor necesario para que la energía cinética de los portadores produzca la liberación de electrones de las ligaduras covalentes • 3 04/10/2014 𝐸 𝑃 𝑛𝑝0 𝑊𝑃 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + _ _ _ _ + + + + + −𝑥𝑝𝑅 + + + + + + + + + + + + + + + 𝑁 𝑝𝑛0 𝑥 𝑥𝑛𝑅 0 𝑊𝑁 𝑉𝑅 𝐸𝑀𝐴𝑋 = Campo eléctrico en x = 0 Valor del campo eléctrico para el que comienza el proceso de “Avalancha” Cuando → 𝐸𝑀𝐴𝑋 ≥ 𝐸𝐶𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑜 2𝑞𝑁𝐴 𝑁𝐷 𝜀 𝑁𝐴 + 𝑁𝐷 𝐸𝐶𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑜 = 1 2 𝑉𝑅 + 𝑉𝑗0 1 2 4 × 105 1 𝑁 1 − 𝑙𝑜𝑔 3 1016 → Avalancha en la ZD La tensión 𝑉𝑅 que hace que 𝐸𝑀𝐴𝑋 = 𝐸𝐶𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑜 Es 𝑉𝐵𝑅 → Máxima tensión de bloqueo inversa • Al aumentar la temperatura disminuye λ (camino libre medio) • Esta disminución de λ (camino libre medio) implica una disminución de la energía cinética que adquieren los portadores antes de chocar • Para compensar esta disminución de la energía cinética debo aumentar el campo que acelera los portadores • Por tanto el aumento de temperatura hace necesario un campo mayor para provocar la avalancha Para AVALANCHA 𝑇 ↑ ⟹ 𝑉𝐵𝑅 ↑ • Ruptura Zener 4 04/10/2014 Recombinación en zona de deplexion 2 I = Is [ exp (VD/ UT) – 1] Para Si I I IEp(x) IEn(x) I IDn(x) IDp(x) 0 -xp -W P xn WN VD Inyección de Alto Nivel Concentración de portadores P (NA) N (ND) nn0 pn(xn) pp0 np(-xp) np(x) + ++ +++ _ __ ___ np0 WP -xp pn(x) pn0 xn WN VD Cuando np(-xp) pp0 o pn (xn) nn0 Se produce la ruptura de la neutralidad eléctrica El campo se opone al paso de los portadores La corriente disminuye I = Is [ exp (VD/ UT) – 1] 5 04/10/2014 𝑝𝑛0 = 𝑛𝑖2 𝑁𝐷 𝑝𝑛 𝑥𝑛 𝑛𝑖2 𝑉𝑈𝐷 = 𝑒 𝑇 𝑁𝐷 𝑝𝑛 𝑥𝑛 = 𝑛𝑛0 = 𝑁𝐷 Condición de inyección de alto nivel TENSION DE POLARIZACION A LA QUE COMIENZA LA INYECCION DE ALTO NIVEL 𝑁𝐷 = 𝑛𝑖2 𝑉𝑈𝐷 𝑒 𝑇 𝑁𝐷 𝑉𝐷 = 2𝑈𝑇 ln 𝑁𝐴 𝑛𝑖 Ejemplo: Juntura N+P con NA = 1017 ND = 1015 T = 300 °K 6 04/10/2014 Máxima Temperatura de Juntura (TjM) Concentración de portadores pp0 = NA np0 = ni2 / NA pp0 + P (NA) nn0 = ND pn0 = ni2 / ND N (ND) nn0 + + + + np0 WP Concentración Portadores NA o D pn0 + -xP xn WN ni 2 A T 3e EG / kT ni Para T = TIntrinseca ni ND o NA 50°K Temp. de Ionización de Impurezas nn0 pn0 o pp0 np0 T 500°K Temp. Intrínseca El semiconductor deja de ser EXTRINSECO Máxima Corriente Directa ( IFM ) + _ VF P N IF 7 04/10/2014 MODELO DEL DIODO I = Is [ exp (VD/ UT) – 1] 𝑛~3𝑎6 IR = M Is 𝑀 = RR CD 1 𝑉 1 − 𝑉R 𝐵𝑅 CJ Rs 𝐶𝑗0 𝐶𝑗 = IR 𝑛 𝑚 𝑉 1 + 𝑉𝑅 𝑗0 I RZ VBR m = 2 → 𝐽𝑢𝑛𝑡. 𝑎𝑏𝑟𝑢𝑝𝑡𝑎 m = 3 → 𝐽𝑢𝑛𝑡. 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑢𝑎𝑙 𝐶𝐷 = 𝑇𝑇 𝐼 𝑈𝑇 PARAMETROS DEL MODELO VBR RS IS Cj0 TT Vj0 ECUACIONES DEL MODELO I = Is [ exp (VD/ UT) – 1] M + VD - + 1 VR 1 ( )n VBR VF = VD + I . Rs + I . Rs - VF - 8 04/10/2014 CLASIFICACION DE LOS DIODOS Normales Rapidos RECTIFICADORES Ultrarapidos Schottky REGULADORES (ZENER) - FUNCION EN LOS CIRCUITOS CAPACITORES (VARICAP) EMISORES DE LUZ (LEDS) DETECTORES DE LUZ (FOTODETECTORES) - MATERIAL - POTENCIA CLASIFICACION DE LOS DIODOS Señal ( P < 1 watt) Ge Material Si As Ga Potencia Potencia ( P > 1 watt) Normal Función en los circuitos Rectificador Regulador (Zener) Capacitor (Varicap) Emisor de luz (LED) Fotodetector Velocidad de conmutación Rápido Ultrarrápido Schottky 9 04/10/2014 ESPECIFICACION DE DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES Tipos de dispositivos Diodos, Transistores, Circuitos Integrados Manuales Identificación del Dispositivo (Nombre) Hojas de Datos Valores que no deben superarse (V, I, P, T) Máximos Absolutos Especificaciones Eléctricas Valores típicos de funcionamiento (puntos) Relaciones entre parámetros Gráficos y curvas ZONA DE FUNCIONAMIENTO DE CADA TIPO DE DIODO 𝐼 𝑉𝐵𝑅 Regulador 𝑉𝐷 Capacitor Rectificador LED 10 04/10/2014 Convenciones de tensiones y corrientes V 1° + VF 2° 3° Subíndices - IF IR - VR + I 1° 2° 3° Subíndices 1° Subíndice V/I 1° 2° 3° R Reverse (Inverso) F Forward (Directo) Subíndices 2° Subíndice R Repetitivo S No Repetitivo 3° Subíndice M Máximo AV Promedio RMS Eficaz VRRM IFSM 11 04/10/2014 12 04/10/2014 13 04/10/2014 14 04/10/2014 15 04/10/2014 Tiempo de recuperación trr Concentración de portadores + + + P (NA) D I R E C T A np(-xp) N (ND) pn(xn) + np(x) + pn(x) + QnP np0 Wp QpN + + x n -xp pn0 Wn VD Concentración de portadores + + + P (NA) I N V E R S A N (ND) + + + + np0 Wp -xp pn0 xn Wn VD 16 04/10/2014 MAXIMA FRECUENCIA DE RECTIFICACION A1 A2 Debe ser A1 >> A2 EJEMPLO DE DIODOS EN FUNCION DE trr SIMULACIONES 17 04/10/2014 DIODOS SERIE R1- R4 representan la resistencia equivalente de los diodo D1 - D4 en inversa Si las resistencia no son iguales las tensiones en cada diodo no será igual Ejemplo: Diodos de 1000 V de tensión inversa – Fuente 4000 V La caída en alguno de los diodos será mayor que 1000 V SI RE << (R1-R4)MIN 18 04/10/2014 DIODOS Paralelo 𝐼𝐷 ID1 D2 + VD1 - 𝐼𝐷2 + VD2 - 𝐼𝐷1 D1 𝑉𝐷 𝑉𝐷 ID2 • Por la conexión VD1 = VD2 • Si las características no son idénticas uno de los diodos conducirá mas corriente DIODOS Paralelo 𝐼𝐷 D2 + 𝑉𝐹 D1 _ 𝐼𝐷2 𝐼𝐷1 𝑉𝐹 𝑉𝐹 RE >> (Rd1-Rd2)MAX 19 04/10/2014 REGULADOR DE TENSION Fuente Ideal Fuente Real 𝑅𝑆 ≠ 0 𝑅𝑆 = 0 𝑉𝑅𝑖𝑝𝑝 = 0 𝑉𝑅𝑖𝑝𝑝 ≠ 0 ∆𝑉 = 0 ∆𝑉 ≠ 0 REGULADOR DE TENSION 𝑅𝑆 > 𝑅′𝑆 𝑉𝑅𝑖𝑝𝑝 > 𝑉′𝑅𝑖𝑝𝑝 REGULADOR ∆𝑉 > ∆𝑉′ 20 04/10/2014 PARAMETROS DE LA FUENTE DE TENSION Parámetros Caracterizan el comportamiento de la Fuente de Tensión IL Máxima corriente de salida ILM Regulador Vi VL RL Tensión nominal de salida VLN Tensión de Rippple de salida VLRipp Regulación de línea Máxima Temperatura Ambiente de funcionamiento TAMB(Max) 1 Δ𝑉𝐿 𝑟𝑙 = 𝑉𝐿𝑁 Δ𝑉𝑖 𝐼𝐿 =𝑐𝑡𝑒. PARAMETROS DE LA FUENTE DE TENSION VL VL d𝑉𝐿 𝑑𝐼𝐿 VLN VLN ΔVL IL ILM Fuente Ideal Regulación de carga 𝑟𝑐 = IL Fuente Real Δ𝑉𝐿 𝑉𝐿 𝑉𝑖 =𝑐𝑡𝑒. ∆𝐼𝐿 =100% 𝐼𝐿 d𝑉𝐿 Resistencia de 𝑅0 = salida R0 𝑑𝐼𝐿 𝑉𝑖=𝑐𝑡𝑒. 𝐼𝐿 ~𝐼𝐿𝑀 21 04/10/2014 Regulador con diodo ZENER RS RZ RR VD + Vγ + VD - • Entre la Fuente no regulada y la carga conectamos la resistencia R y el diodo regulador (Zener) D1 • Si la tensión sobre el diodo es mayor que su tensión de bloqueo inverso VBR podemos reemplazarlo por el modelo en conducción inversa Regulador con diodo ZENER Circuito del regulador si V>VBR Usando el circuito calculamos •VL •VLRipp •Regulación de carga •Resistencia de salida 22 04/10/2014 Circuito para calcular VL 𝑉𝐿1 = 𝑉 𝑅𝑍 ∕∕ 𝑅𝐿 𝑅𝑆 + 𝑅 + 𝑅𝑍 ∕∕ 𝑅𝐿 23 04/10/2014 𝑉𝐿2 = 𝑉𝐵𝑅 𝑅𝐿 ∕∕ 𝑅 + 𝑅𝑆 𝑅𝑍 + 𝑅𝐿 ∕∕ 𝑅 + 𝑅𝑆 𝑉𝐿 = 𝑉𝐿1 + 𝑉𝐿2 𝑉𝐿1 = 𝑉 𝑅𝑍 ∕∕ 𝑅𝐿 𝑅𝑆 + 𝑅 + 𝑅𝑍 ∕∕ 𝑅𝐿 𝑆𝑖 𝑅 ≫ 𝑅𝑆 𝑦 𝑅𝑍 𝑉𝐿1 = 𝑉 𝑉𝐿2 = 𝑉𝐵𝑅 𝑆𝑖 𝑅𝐿 ≫ 𝑅𝑍 𝑅𝑍 𝑅 𝑅𝐿 ∕∕ 𝑅 + 𝑅𝑆 𝑅𝑍 + 𝑅𝐿 ∕∕ 𝑅 + 𝑅𝑆 𝑆𝑖 𝑅𝐿 ≫ 𝑅 + 𝑅𝑆 𝑉𝐿2 = 𝑉𝐵𝑅 𝑉𝐿 = 𝑉𝐵𝑅 + 𝑉 𝑅𝑍 𝑅 24 04/10/2014 Circuito para calcular VLRipp 𝑉𝐿𝑅𝑖𝑝𝑝 = 𝑉𝑅𝑖𝑝𝑝 𝑅𝑍 ∕∕ 𝑅𝐿 𝑅𝑆 + 𝑅 + 𝑅𝑍 ∕∕ 𝑅𝐿 𝑉𝐿𝑅𝑖𝑝𝑝 ≈ 𝑉𝑅𝑖𝑝𝑝 𝑅𝑍 𝑅 Regulador con diodo ZENER Diodos Reguladores Coeficiente termico Diferencia en las especificaciones con los rectificadores • Hoja de datos de diodo Zener • • 25 04/10/2014 Diodo Rectificador vs Diodo Regulador (ZENER) • • La misma fabricación Distintas zonas de trabajo • Rectificador |VBR| > VD • Regulador |VBR| < VD • Distintas especificaciones en • Máximos Absolutos • Características Eléctricas 𝑁° 𝐶𝑎𝑠𝑜𝑠 𝑉𝐵𝑅 𝑉𝐵𝑅𝑚𝑖𝑛 𝑉𝐵𝑅 𝑉𝐵𝑅𝑀𝐴𝑋 26 04/10/2014 Diodo Varicap Factor de Calidad (Q) de un capacitor Q = C Rp Diodo en directo Rd = UT / ID ≈ 30 mΩ Diodo en inverso RR ≈ 100 MΩ 27 04/10/2014 Capacidad de Juntura (Cj) vs Capacidad de Difusión (CD) 𝐶𝑗 ~ 𝑝𝐹 (10−12 ) 𝐶𝑗 esta presente siempre en polarización directa e inversa 𝐶𝐷 ~ 𝜇𝐹 (10−6 ) 𝐶𝐷 solo esta presente en polarización directa RR RR CD CD Cj Cj Q (Factor de calidad)= 𝜔𝐶𝑗 𝑅𝑅 Q (Factor de calidad)= 𝜔𝐶𝐷 𝑅𝑅 𝑟𝑑 28 04/10/2014 DIODOS EMISORES DE LUZ ( LED’S) 29 04/10/2014 OPTOELECTRONICA • Conversión electro optica Señal Electrica Electro Señal Optica Opto OPTOELECTRONICA • Conversión optica electrica Señal Optica Opto Señal Electrica Electro 30 04/10/2014 Sensibilidad del ojo humano Sensibilidad del ojo humano 31 04/10/2014 GENERACION DE FOTONES •Fenómeno de recombinación de electrones de la banda de Conducción con huecos de la banda de Valencia • Si el semiconductor es del tipo Directo se genera un Fotón desapareciendo el electrón y el hueco •El ARSENIURO DE GALIO GaAs es del tipo Directo •El Silicio Si es del tipo Indirecto, la recombinación de electrones de la banda de conducción con huecos de la banda de Valencia genera Fonones (Calor) SEMICONDUCTOR Banda de Conducción Electrones Foton Huecos Banda de Valencia LED Light Emiting Diode Conversión Electro - Optica • Juntura PN polarizada directa para favorecer el fenómeno de recombinación en zonas neutras P (NA) N (ND) np(x) npo pn(x) pno 32 04/10/2014 ESTRUCTURA DEL DIODO LED EMISION DE LUZ vs IF 33 04/10/2014 34 04/10/2014 35 04/10/2014 36 04/10/2014 EFECTO FOTOELECTRICO DE JUNTURA Conversión Óptica -Electro • Juntura PN polarizada inversa para favorecer el fenómeno de generación en zonas neutras Є Zona N Zona P FOTODIODO E(λ) Anodo Zona P Zona N Katodo 37 04/10/2014 38 04/10/2014 39 04/10/2014 40
