DIODO DE UNIÓN P‐N TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA (2009/2010) BRÉGAINS, JULIO IGLESIA, DANIEL LAMAS, JOSÉ DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y SISTEMAS TE (09/10). TEMA 2: DIODO DE UNIÓN PN. BRÉGAINS, IGLESIA, LAMAS ‐ UDC_____ SÍMBOLO Y ESTRUCTURAS DEL DIODO PN TE (09/10). TEMA 2: DIODO DE UNIÓN PN. 2 DE 30 BRÉGAINS, IGLESIA, LAMAS ‐ UDC_____ CIRCUITO ABIERTO UNIÓN P‐N EN CIRCUITO ABIERTO. Potencial de contacto: Potencial en la unión: Átomo de impureza donadora (valencia V) con un electrón sin cabida en un enlace. Log. concentración ppo≈ NA npo≈ ni2/NA nno≈ ND Átomo de impureza aceptora (valencia III) con un hueco sin electrón de enlace. Átomo de impureza donadora que ha perdido un electrón. Se ha transformado en ión posiIvo. pno≈ ni2/ND x TE (09/10). TEMA 2: DIODO DE UNIÓN PN. VJ= Vo= Vp+Vn 3 DE 30 Átomo de impureza aceptora que ha ganado un electrón. Se ha transformado en un ión negaIvo. BRÉGAINS, IGLESIA, LAMAS ‐ UDC_____ POLARIZACIÓN DIRECTA UNIÓN P‐N POLARIZADA DIRECTAMENTE Vo= Vp + Vn V = Vp ‐ VJ + Vn= Vo‐ VJ ⇒ VJ = Vo ‐ V TE (09/10). TEMA 2: DIODO DE UNIÓN PN. 4 DE 30 BRÉGAINS, IGLESIA, LAMAS ‐ UDC_____ POLARIZACIÓN INVERSA UNIÓN P‐N POLARIZADA INVERSAMENTE Vo= Vp + Vn Corriente inversa de saturación: V = ‐ Vn + VJ ‐ Vp = VJ ‐ Vo ⇒ VJ = Vo + V TE (09/10). TEMA 2: DIODO DE UNIÓN PN. 5 DE 30 BRÉGAINS, IGLESIA, LAMAS ‐ UDC_____ RELACIÓN ENTRE V E I RELACIÓN ENTRE V E I EN UN DIODO. CURVA TEÓRICA I V η= 1 Germanio η= 2 Silicio VT= kT/q = T/11600, para T = 300 ºK ⇒ VT≈ 26 mV (Voltaje térmico) k = 1,38 × 10‐23 J/ºK (Constante de Boltzmann) Para V » VT ⇒ Para V « ‐VT ⇒ TE (09/10). TEMA 2: DIODO DE UNIÓN PN. 6 DE 30 BRÉGAINS, IGLESIA, LAMAS ‐ UDC_____ IMÁGENES DE DIVERSOS DIODOS PN TE (09/10). TEMA 2: DIODO DE UNIÓN PN. 7 DE 30 BRÉGAINS, IGLESIA, LAMAS ‐ UDC_____ RELACIÓN ENTRE V E I RELACIÓN ENTRE V E I EN UN DIODO. CURVA PRÁCTICA. I I (mA) T1 100 T2 T3 80 ‐Vz Vγ V 60 40 20 0 0,4 0,6 0,8 V (Volt) T1 > T2 > T3 Vγ = 0,2 V (Ge) Vγ = 0,6 V (Si) Vγ = 0,3 V (Scho^ky) Vγ = 1,2 V AsGa (LED) TE (09/10). TEMA 2: DIODO DE UNIÓN PN. Coeficiente de temperatura TC = (V1‐V0)/(T1 ‐ T0) TC = ‐ 2,5 mV/ºC (Ge) TC = ‐ 2,0 mV/ºC (Si) TC = ‐ 1,5 mV/ºC Scho^ky 8 DE 30 BRÉGAINS, IGLESIA, LAMAS ‐ UDC_____ RESISTENCIAS DE UN DIODO RESISTENCIA ESTÁTICA I Q IQ VP P TE (09/10). TEMA 2: DIODO DE UNIÓN PN. IP VQ V 9 DE 30 BRÉGAINS, IGLESIA, LAMAS ‐ UDC_____ RESISTENCIAS DE UN DIODO RESISTENCIA DINÁMICA I Q IQ VP P IP VQ V TE (09/10). TEMA 2: DIODO DE UNIÓN PN. 10 DE 30 BRÉGAINS, IGLESIA, LAMAS ‐ UDC_____ DIODO ZÉNER CURVA I‐V Y SÍMBOLOS I ‐V Z ‐IZmín V ‐IZmáx I Z MECANISMO DE RUPTURA MulIplicación por avalancha Ruptura Zéner TE (09/10). TEMA 2: DIODO DE UNIÓN PN. 11 DE 30 BRÉGAINS, IGLESIA, LAMAS ‐ UDC_____ DIODOS ZÉNER MECANISMOS DE RUPTURA MulTplicación por avalancha TE (09/10). TEMA 2: DIODO DE UNIÓN PN. 12 DE 30 BRÉGAINS, IGLESIA, LAMAS ‐ UDC_____ DIODOS ZÉNER MECANISMOS DE RUPTURA Ruptura Zéner TE (09/10). TEMA 2: DIODO DE UNIÓN PN. 13 DE 30 BRÉGAINS, IGLESIA, LAMAS ‐ UDC_____ EJERCICIOS EJEMPLO 1 Un diodo de silicio Iene una corriente inversa de saturación Io a 300K de 10 μA. Calcular: a.‐ Valor de I con una polarización directa de 0,6V b.‐ Valor de I con una polarización inversa de 1V c.‐ Resistencia estáIca en ambos casos Calcular, a 50ºC de temperatura: d.‐ Valor de I con una polarización directa de 0,6V. e.‐ Valor de I con una polarización inversa de 1V. f.‐ Resistencia estáIca en ambos casos. TE (09/10). TEMA 2: DIODO DE UNIÓN PN. 14 DE 30 BRÉGAINS, IGLESIA, LAMAS ‐ UDC_____ EJERCICIOS EJEMPLO 2 Un diodo de silicio Iene una Io = 22nA a una temperatura ambiente de 25ºC. Calcular: a.‐ I con una polarización directa de 1V. b.‐ Valor de Rf con esa polarización c.‐ Rr con una polarización inversa de 0,1V TE (09/10). TEMA 2: DIODO DE UNIÓN PN. 15 DE 30 BRÉGAINS, IGLESIA, LAMAS ‐ UDC_____ EJERCICIOS EJEMPLO 3 Un diodo de unión PN de silicio a T ambiente Iene una Io de 10nA. Calcular a.‐ Intensidad con polarización directa de 0,5V b.‐ Intensidad con polarización inversa de 0,5V c.‐ Valor de la tensión inversa para la cual la intensidad es del 95% de Io d.‐ Rf para una polarización directa de 0,7V e.‐ RF para el mismo caso f.‐ Rr para una polarización inversa de 1V g.‐ RR para el mismo caso TE (09/10). TEMA 2: DIODO DE UNIÓN PN. 16 DE 30 BRÉGAINS, IGLESIA, LAMAS ‐ UDC_____ EJERCICIOS EJEMPLO 4 Un diodo de silicio Iene una corriente inversa de saturación Io a 125ºC de 0,1µA. Hallar a 105ºC la resistencia dinámica con polarización de 0,8V: a.‐ En senIdo directo. (12,165 Ω) b.‐ En senIdo inverso. (559 G Ω) TE (09/10). TEMA 2: DIODO DE UNIÓN PN. 17 DE 30 BRÉGAINS, IGLESIA, LAMAS ‐ UDC_____ EJERCICIOS EJEMPLO 5 En el circuito de la figura si D1 Iene una Io1 = 2µA y una Vz1 = 60V y D2 una Io2 = 4µA, y una Vz2 = 80V, calcular: a.‐ Valor de I si V = 60V b.‐ Valor de I si V = 90V c.‐ Valor de la tensión en cada diodo si V = 100V Se coloca en paralelo con cada diodo una resistencia de 5 MΩ d.‐ Valor de la tensión en cada diodo en este caso con V = 100V TE (09/10). TEMA 2: DIODO DE UNIÓN PN. 18 DE 30 BRÉGAINS, IGLESIA, LAMAS ‐ UDC_____ DIODO DE UNIÓN PN ANÁLISIS DE CIRCUITOS CON DIODOS I D Vi R I Q V Vi VD Vi = V + VR = V + I.R TE (09/10). TEMA 2: DIODO DE UNIÓN PN. 19 DE 30 BRÉGAINS, IGLESIA, LAMAS ‐ UDC_____ DIODO DE UNIÓN PN MODELOS LINEALES. DIODO IDEAL Rf = 0, Vγ = 0, Rr = ∞ I D DOFF CIRCUITO LINEAL EQUIVALENTE DIRECTO V≥0 A DON DON V TE (09/10). TEMA 2: DIODO DE UNIÓN PN. INVERSO V≤0 A 20 DE 30 K DOFF K BRÉGAINS, IGLESIA, LAMAS ‐ UDC_____ DIODO DE UNIÓN PN MODELOS LINEALES. DIODO IDEAL Rf = 0, Vγ ≠ 0, Rr = ∞ I CIRCUITO LINEAL EQUIVALENTE DON D DOFF V γ TE (09/10). TEMA 2: DIODO DE UNIÓN PN. V 21 DE 30 DIRECTO V≥Vγ A V γ K DON INVERSO V≤Vγ A K DOFF BRÉGAINS, IGLESIA, LAMAS ‐ UDC_____ DIODO DE UNIÓN PN MODELOS LINEALES. DIODO IDEAL Rf ≠ 0, Vγ = 0, Rr = ∞ I CIRCUITO LINEAL EQUIVALENTE DON D DIRECTO V≥0 A DON DOFF Rf DOFF V TE (09/10). TEMA 2: DIODO DE UNIÓN PN. INVERSO V≤0 A 22 DE 30 K K BRÉGAINS, IGLESIA, LAMAS ‐ UDC_____ DIODO DE UNIÓN PN MODELOS LINEALES. DIODO IDEAL Rf ≠ 0, Vγ ≠ 0, Rr = ∞ I CIRCUITO LINEAL EQUIVALENTE DON D DIRECTO V≥Vγ A DON INVERSO V≤Vγ A DOFF Rf DOFF V γ V γ V K K TE (09/10). TEMA 2: DIODO DE UNIÓN PN. 23 DE 30 BRÉGAINS, IGLESIA, LAMAS ‐ UDC_____ DIODO DE UNIÓN PN MODELOS LINEALES. DIODO IDEAL Rf ≠ 0, Vγ ≠ 0, Rr ≠ ∞ I CIRCUITO LINEAL EQUIVALENTE DON D DIRECTO V≥Vγ A DIRECTO Vγ ≥V≥0 INVERSO V≤0 A A Rf DOFF V γ V γ V K TE (09/10). TEMA 2: DIODO DE UNIÓN PN. Rr 24 DE 30 DON K DOFF K DINV BRÉGAINS, IGLESIA, LAMAS ‐ UDC_____ DIODO DE UNIÓN PN MODELOS LINEALES. ZÉNER IDEAL. ZONA ZÉNER VZ Y RZ =0 I CIRCUITO LINEAL EQUIVALENTE DIRECTO V≥0 DON V ‐VZ K DZÉNER TE (09/10). TEMA 2: DIODO DE UNIÓN PN. A A DOFF 25 DE 30 INVERSO ‐Vz≤V≤0 INVERSO V≤‐Vz DON K A DOFF K V Z DZÉNER BRÉGAINS, IGLESIA, LAMAS ‐ UDC_____ DIODO DE UNIÓN PN MODELOS LINEALES. ZÉNER IDEAL. ZONA ZÉNER VZ Y RZ ≠0 I CIRCUITO LINEAL EQUIVALENTE DON DIRECTO V≥Vγ A Rf DOFF ‐VZ INVERSO ‐Vz≤V≤Vγ INVERSO V≤‐Vz A A V γ V DZÉNER TE (09/10). TEMA 2: DIODO DE UNIÓN PN. RZ V γ K 26 DE 30 DON K V Z DOFF K DZÉNER BRÉGAINS, IGLESIA, LAMAS ‐ UDC_____ EJERCICIOS EJEMPLO 6 El diodo D del circuito de la figura Iene Vγ = 0,6V, VZ = 5V, y se sabe que para VD = 1V, ID= 100mA, y que para VD = ‐ 5,1V; ID = ‐50mA. Se pide determinar el punto de trabajo (VD,ID) del diodo para los siguientes valores de Vi: a) Vi = 5V b) Vi = 0,5V c) Vi = ‐ 4V d) Vi = ‐7V TE (09/10). TEMA 2: DIODO DE UNIÓN PN. 27 DE 30 BRÉGAINS, IGLESIA, LAMAS ‐ UDC_____ EJERCICIOS EJEMPLO 7 En el circuito de la figura, la tensión umbral de un diodo es de 0,6 V y la caída en el diodo que conduce es de 0,7 V. Calcular vo con las siguientes tensiones de entrada, e indicar el estado de cada diodo (en corte o en conducción). JusIficar los supuestos relaIvos a cada diodo. a) v1= 10 V; v2= 0 V b) v1= 5 V; v2= 0 V c) v1= 10 V; v2= 5 V d) v1= 5 V; v2= 5 V TE (09/10). TEMA 2: DIODO DE UNIÓN PN. 28 DE 30 BRÉGAINS, IGLESIA, LAMAS ‐ UDC_____ EJERCICIOS EJEMPLO 8 Supóngase que los diodos del circuito de la figura Ienen Rf = 0, Vγ = 0,6 V y Rr = ∞, con una caída del diodo en conducción de 0,7 V. Hallar I1, I2, I3 y vo en las siguientes condiciones: a) v1= 0 V; v2= 25 V b) v1= v2= 25 V Resp: a) 3,6 mA; 0 mA; 1,815 mA; 4,3 V b) 0,3488mA; 0,3488 mA; 0 mA; 26,05 V TE (09/10). TEMA 2: DIODO DE UNIÓN PN. 29 DE 30 BRÉGAINS, IGLESIA, LAMAS ‐ UDC_____ EJERCICIOS EJEMPLO 9 En el circuito de la figura, Rf = 0 Ω, Rr = ∞, Vγ= 0,6V y Vz = 10 V en todos los diodos. Dibuja la forma de onda de la intensidad si la tensión del generador es senoidal de 12 Vef. Ídem si la tensión del generador es senoidal de 40 Vef. TE (09/10). TEMA 2: DIODO DE UNIÓN PN. 30 DE 30 BRÉGAINS, IGLESIA, LAMAS ‐ UDC_____