El Diodo - Escuela de Ingeniería Electrónica

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Modelo del Diodo
Lı́nea de carga y punto de operación
Circuitos de aplicación
El Diodo
Lección 03.1
Ing. Jorge Castro-Godı́nez
EL2207 Elementos Activos
Escuela de Ingenierı́a Electrónica
Instituto Tecnológico de Costa Rica
I Semestre 2014
Jorge Castro-Godı́nez
El Diodo
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Modelo del Diodo
Lı́nea de carga y punto de operación
Circuitos de aplicación
Contenido
1
Modelo del Diodo
Modelo ideal
Modelo real
Modelos del Diodo
2
Lı́nea de carga y punto de operación
3
Circuitos de aplicación
Rectificadores
Recortadores
Sujetadores
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Modelo del Diodo
Lı́nea de carga y punto de operación
Circuitos de aplicación
Modelo ideal
Modelo real
Modelos del Diodo
Modelo ideal
(1)
El diodo ideal actúa como:
cortocircuito para corrientes de polarización en directa.
circuito abierto para corrientes de polarización en inversa.
El comportamiento real del diodo ideal está delimitado por:
Resistividad del semiconductor.
Efecto de Avalancha y efecto Zener.
Corriente de saturación reversa.
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Lı́nea de carga y punto de operación
Circuitos de aplicación
Modelo ideal
Modelo real
Modelos del Diodo
Modelo ideal
(2)
Característica IV ideal
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Modelo del Diodo
Lı́nea de carga y punto de operación
Circuitos de aplicación
Modelo ideal
Modelo real
Modelos del Diodo
Real vs Ideal
Característica IV real
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Característica IV ideal
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Circuitos de aplicación
Modelo ideal
Modelo real
Modelos del Diodo
Ecuación de Shockley
(1)
Curva caracterı́stica (IV, corriente vs. tensión), está descrita
por la ecuación del diodo de Shockley.
ID = IS e(VD /nVt ) − 1
Vt : voltaje térmico
n = 1...2
IS : corriente de saturación en reversa, depende de las
caracterı́sticas fı́scas del diodo.
IS = qA
Dp
Dn
· npo +
· pno
Ln
Lp
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Circuitos de aplicación
Modelo ideal
Modelo real
Modelos del Diodo
Ecuación de Shockley
(2)
IS = qA
Dp
Dn
· np0 +
· pn0
Ln
Lp
A: área transversal del diodo,
D: coeficiente de difusión,
L: longitud de difusión de portadores minoritarios,
np0 : concentración de electrones del lado P, en equilibrio,
pn0 : concentración de electrones del lado N, en equilibrio.
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Circuitos de aplicación
Modelo ideal
Modelo real
Modelos del Diodo
Curva Caracterı́stica
(1)
•
Región de
Ruptura
VD < VBR
•
VBR
Polarización
inversa
VD < 0
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Polarización
directa
VD > 0
•
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Circuitos de aplicación
Modelo ideal
Modelo real
Modelos del Diodo
Curva Caracterı́stica
(2)
Efecto de Ruptura (breakdown): Una tensión de polarización
inversa alta puede causar una alta corriente que fluye por el
diodo.
Efecto Zener.
Efecto de Avalancha.
Ambos efectos son reversibles, i.e., no daña la unión pn si la
potencia no excede la potencia máxima.
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Circuitos de aplicación
Modelo ideal
Modelo real
Modelos del Diodo
Efecto Avalancha
Los portadores minoritarios en la zona de agotamiento son
acelerados por el campo eléctrico, creando pares
electrón-hueco por medio de ionización por impacto
El aumento en los portadores de carga libres ocaciona un
aumento en la corriente que puede contribuir a la ionización
por impacto.
P
N
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Modelo ideal
Modelo real
Modelos del Diodo
Efecto Túnel
Electrones pasan de la banda de valencia del material tipo p a
la banda de condución del material tipo n (generación). Esto
ocaciona altas corrientes en el diodo.
Este paso de electrones requiere altos niveles de dopado para
disminuir el ancho de la zona de agotamiento.
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Circuitos de aplicación
Modelo ideal
Modelo real
Modelos del Diodo
Efectos
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Circuitos de aplicación
Modelo ideal
Modelo real
Modelos del Diodo
Modelos del Diodo
(1)
Existen dos modelos:
1
2
De gran señal (CC o CD)
De pequeña señal (CA)
Modelo de gran señal: se establece un punto de operación
especı́fico, denominado punto de operación Q.
Modelo de pequeña señal: se experimenta una variación
alrededor del punto de operación, considerando sólo el efecto
de las fuentes en CA.
El modelo de pequeña señal es usado para el análisis en CA y
la respuesta en frecuencia.
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Circuitos de aplicación
Modelo ideal
Modelo real
Modelos del Diodo
Modelos del Diodo
(2)
n un punto de operación
equeña variación alrededor
e un punto de operación
onsidera sólo el efecto de
nálisis de CA, respuesta de
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Modelo ideal
Modelo real
Modelos del Diodo
Modelo gran señal
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Circuitos de aplicación
Modelo ideal
Modelo real
Modelos del Diodo
Modelos lineal por tramos, en CC
• Resistencia estática del diodo
– Resistencia en el punto de operación Q
rD =
vD
iD
=
Q
VD
ID
• Punto de operación Q
– Punto de polarización
– Punto quiesciente (estable)
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Circuitos de aplicación
Modelo ideal
Modelo real
Modelos del Diodo
Modelo pequeña señal
(1)
C
rd : resistencia dinámica del diodo.
C: capacitancias del diodo = 0
Capacitancia de agotamiento Cj + Capacitancia de difusión
CD
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Circuitos de aplicación
Modelo ideal
Modelo real
Modelos del Diodo
Modelo pequeña señal
æ ¶i ö
rd = çç D ÷÷
è ¶v D ø
rd =
(2)
Cj =
-1
Q
Cj =
nVt
ID
Cd =
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dq j
dVR
Q
Cj0
;C j = 2C j 0
V
(1 + R )m
Vbi
tT
Vt
I; t T : ns... 104 ns
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Circuitos de aplicación
Modelo ideal
Modelo real
Modelos del Diodo
Aplicaciones de Diodos
Rectificación
Regulación de tensión (Zener)
Indicadores lumı́nicos
Fotodetectores
Tipos:
Diodo
Diodo
Diodo
Diodo
Diodo
Diodo
PN (normal)
emisor de luz (light emitting diodo LED)
láser
Schottky
de Avalancha
Zener
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Lı́nea de carga y punto de operación
Circuitos de aplicación
Lı́nea de carga
VSS = Ri D + vD
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Circuitos de aplicación
Rectificadores
Recortadores
Sujetadores
Rectificador Media Onda
Caso ideal, tensión
de salida promedio
Vo,promedio =
Vp
p
=
Vm
p
Vp=Vm= valor pico de la
tensión de entrada
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Circuitos de aplicación
Rectificadores
Recortadores
Sujetadores
Rectificador Media Onda con Filtro
Cálculo de capacitancia de
filtrado
C=
I LT
Vr
Voltaje de carga:
VL @ Vm -
Vr
2
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Circuitos de aplicación
Rectificadores
Recortadores
Sujetadores
Rectificador Onda Completa
(1)
Caso ideal, tensión
de salida promedio
Vo,promedio =
2Vp
p
=
2Vm
p
Vp=Vm= valor pico de la
tensión de entrada
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Modelo del Diodo
Lı́nea de carga y punto de operación
Circuitos de aplicación
Rectificadores
Recortadores
Sujetadores
Rectificador Onda Completa
(2)
Cálculo de
capacitor de
filtrado:
C=
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I LT
2Vr
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Circuitos de aplicación
Rectificadores
Recortadores
Sujetadores
Recortador Serie
Vs
vs(t)
Vp
Vp
El diodo está en SERIE con la salida
vo(t)
Vp–Vs–Vd
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Circuitos de aplicación
Rectificadores
Recortadores
Sujetadores
Recortador Paralelo
v(t)
v(t)
v(t)
Vs
v(t)
Vp
vo(t)
Vs
v(t)
v(t)
Vp
Vp
vo(t)
vo(t)
Vp
Vp
Vs–Vd
Vs+Vd
El diodo está en PARALELO con la salida
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Circuitos de aplicación
Rectificadores
Recortadores
Sujetadores
Recortador
v(t)
Vp
v(t)
V1
V2
vo(t)
V1 + VD
V2+ VD
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Circuitos de aplicación
Rectificadores
Recortadores
Sujetadores
Sujetador de tensión
vs(t)
Vp
vo(t)
V1 + VC = 2 V1 - VD
VD
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Circuitos de aplicación
Rectificadores
Recortadores
Sujetadores
Doblador de tensión
vs(t)
Vp
VS (t)
Carga C2
Semiciclo negativo: D1 conduce, C1
se carga al voltaje de la fuente, D2 no
conduce
vo(t)
Carga C1
2Vp
Semiciclo positivo: D1 no conduce, D2
conduce, VC2 = 2 Vp
En estado estable, la salida es
aproximadamente 2Vp
Caso ideal
Caso real: salida es 2Vp-2VD
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Circuitos de aplicación
Rectificadores
Recortadores
Sujetadores
Referencias Bibliográficas I
J. M. Albella et al.
Fundamentos de microelectrónica, nanoelectrónica y fotónica.
Pearson, 1era edición, 2005.
A. Sedra, K. Smith.
Circuitos Microelectrónicos.
McGraw-Hill, 5ta edición, 2006.
R. Boylestad, L. Nashelsky.
Electrónica: Teorı́a de circuitos y dispositivos electrónicos.
Pearson, 10ma edición, 2009.
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