TEMA 3 El Diodo

TEMA 3
El Diodo
TEMA 3.
El Diodo
ÍNDICE
3.1. LA UNIÓN P-N EN EQUILIBRIO
3.2. POLARIZACIÓN DIRECTA E INVERSA
3.3. ECUACIÓN DEL DIODO IDEAL
3.4. FENÓMENOS DE AVALANCHA Y ZENER
3.5. OTROS TIPOS DE DIODOS. MODELOS DE DIODOS
3.6. EJERCICIOS RESUELTOS Y PROPUESTOS.
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El Diodo
OBJETIVOS
− Conocer estructura física y del funcionamiento básico de un diodo
− Utilizar modelos lineales del diodo para la resolución de circuitos.
− Conocer los análisis del punto de operación y de característica de
transferencia de circuitos con diodos.
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3.1. LA UNIÓN P-N EN EQUILIBRIO
Concentraciones de electrones y huecos en una unión P-N abrupta
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3.1. LA UNIÓN P-N EN EQUILIBRIO
Potencial:
Anchura de la unión:
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3.2. POLARIZACIÓN DIRECTA E INVERSA
Nula
Directa
Inversa
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3.3. ECUACIÓN DEL DIODO IDEAL
Modelos linealizados del diodo
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3.3. ECUACIÓN DEL DIODO IDEAL
Ecuación del diodo (no lineal)
Curva característica del diodo
La corriente resultante de una polarización inversa es pequeña (del orden
de nA en el Silicio a temperatura ambiente), negativa, creada por la
generación térmica de portadores e independiente del valor de la tensión
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aplicada y se denomina corriente inversa de saturación ( Is ).
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3.3. ECUACIÓN DEL DIODO IDEAL
El diodo se comporta como un circuito abierto en polarización inversa
y como una fuente de tensión igual a la umbral en serie con una
resistencia RD en polarización directa.
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3.4. FENÓMENOS DE AVALANCHA Y ZENER
Cuando la tensión inversa aplicada es grande, aumenta el campo en la unión y por tanto
la velocidad y la energía de los portadores arrastrados por ese campo. A partir de un
determinado valor del campo la energía de los portadores es tal que al chocar con los
átomos del cristal puede romper nuevos enlaces covalentes liberando pares electrón hueco. Estos nuevos portadores son vueltos a acelerar por el campo provocando nuevas
colisiones y nuevos portadores libres en un proceso de avalancha. El efecto túnel o
ruptura zener se debe a que un fuerte campo eléctrico en la unión puede romper
directamente enlaces covalentes generando portadores.
Diodo Zener
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3.5. OTROS TIPOS DE DIODOS. MODELOS DE DIODOS
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Diodos emisores de luz ( LED ).
Están fabricados con un compuesto semiconductor, el Arseniuro de Galio
( AsGa ) y se caracterizan porque emiten fotones de luz visible o infrarroja
cuando conducen en polarización directa. En polarización inversa se comportan
como un diodo básico, aunque se diferencian en que la tensión umbral VDon es
aproximadamente igual a 1,6 voltios. La intensidad de la radiación luminosa es
proporcional a la intensidad de corriente que circula por el diodo.
En ciertas condiciones, la luz emitida puede ser monocromática y coherente
( LASER ), conociéndose en este caso como LASER de estado sólido.
Fotodiodos.
Cuando se ilumina una unión P-N polarizada inversamente se produce un
aumento de la corriente inversa que es proporcional a la intensidad de luz
aplicada. Este fenómeno se da porque los fotones de luz generan nuevos pares
electrón-hueco en las dos zonas, de forma que los portadores minoritarios (
huecos en la N y electrones en la P ) pueden atravesar la unión por la acción del
potencial inverso, contribuyendo a un aumento apreciable de la corriente
inversa. Este hecho es el que se aprovecha en la fabricación de fotodiodos, cuya
estructura está formada por un diodo en cuyo encapsulado se ha practicado una
abertura sobre la zona de la unión por la se permite que la luz incida sobre ella.
La banda de luz más utilizada para activar al fotodiodo es la del infrarrojo. 12
Diodo Schottky.
Unión de un metal (Al) y un cristal semiconductor de tipo N.
Si el dopado es bastante débil, el comportamiento de la unión es de tipo
rectificador, es decir, similar al de una unión P-N en la que el aluminio tiene
un comportamiento análogo al de la zona P.
Cuando el dopado del cristal es fuerte, se dice que la unión es de tipo óhmico
ya que su comportamiento se asemeja al de un elemento resistivo. Este último
tipo de unión es la que se utiliza para conectar los terminales metálicos de los
dispositivos semiconductores. Características:
. La corriente directa es producida por el paso de electrones del silicio tipo N al
metal, donde éstos son mayoritarios, por lo que no se produce difusión de
portadores minoritarios, ya que el metal sólo tiene un tipo de portadores ( los
electrones ).
. En polarización inversa, los electrones no pueden pasar del aluminio al
silicio N debido a la existencia de una barrera de potencial de contacto que lo
impide.
. Los tiempos de conmutación de la zona de conducción a la de no
conducción son más pequeños que en los diodos básicos.
. La tensión umbral está comprendida entre 0,3 V y 0,4 V.
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Diodos varactores
Otros efectos importantes en el diodo son los capacitivos, que pueden ser de
dos tipos diferentes y pueden condensarse en dos capacidades parásitas, la
capacidad de transición (CT), que predomina en polarización inversa y la
capacidad de difusión (CD), que predomina en polarización directa.
La capacidad de transición se explica por la variación de carga producida en la
unión al variar la tensión inversa externa aplicada. Hay que recordar que las
zonas fuera de la unión son eléctricamente neutras mientras que en la unión no
existen portadores pero tenemos todos los átomos ionizados de las impurezas
fijos en la red cristalina. Como al variar la tensión externa varia la anchura de la
unión ( W ) también variará la carga presente. Así pues el efecto capacitivo es C
= dQ / dV.
La capacidad de transición depende de las dimensiones geométricas, de la
concentración de impurezas, de forma que aumenta al aumentar esta y de la
tensión inversa aplicada, disminuyendo conforme la tensión inversa aumenta.
Esta última propiedad es la que caracteriza a un diodo varactor. Estos diodos se
construyen de forma tal que la variación de la capacidad de transición con la
tensión inversa aplicada es muy importante, por lo que habitualmente son
utilizados como capacidades controladas por tensión en circuitos de
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sintonización de radiofrecuencia.
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El Diodo.
Ejercicio tipo
Calcular VD e ID
Equivalente Thevenin:
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El Diodo.
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Ejercicio tipo
Calcular V0
Equivalente Thevenin:
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El Diodo.
Ejercicio tipo
Calcular la curva característica de transferencia suponiendo el modelo idealizado
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El Diodo.
Ejercicio tipo
Calcular la curva característica de transferencia suponiendo diodos ideales
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