Diodo

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  1. 1. El diodo de unión <ul><li>La unión PN en equilibrio. </li></ul><ul><li>Polarización del diodo. Polarización directa e inversa. </li></ul><ul><li>Curva característica. Influencia de la temperatura. </li></ul><ul><li>El diodo como rectificador. </li></ul><ul><li>El diodo Zener . </li></ul><ul><li>Diodos LED </li></ul><ul><li>El diodo Schottky </li></ul>
  2. 2. La unión PN en equilibrio N P 0 K A temperatura ambiente, los huecos de la zona p pasan por difusión hacia la zona n y los e - de la zona n pasan a la zona p . En la zona de la unión, huecos y e - se recombinan, quedando una estrecha zona de transición con una distribución de carga debida a la presencia de los iones de las impurezas y a la ausencia de huecos y e - . Se crea, entonces un campo eléctrico que produce corrientes de desplazamiento, que equilibran a las de difusión. X p X n I ndif I pdes I pdif I ndes 300 K V 0  E
  3. 3. La unión PN en equilibrio Distribución de las concentraciones de portadores de carga Distribución de carga X p X n Campo eléctrico en el diodo E X p X n Diferencia de potencial V 0 V X p X n
  4. 4. La unión PN en equilibrio (cont) Sustituyendo los valores de las concentraciones de impurezas: V 0 se llama Potencial de contacto y representa la diferencia de potencial entre los extremos de la zona de transición con la unión en circuito abierto y en equilibrio. V 0 = 0.7 V para diodos de Si y V 0 = 0.3 V para diodos de Ge, a 20 ºC V T = 0.026 V a 300 K
  5. 5. Polarización del diodo <ul><li>Polarización directa </li></ul>V D I  E V D crea un campo eléctrico opuesto al de la unión, disminuye el E total en la unión y la barrera de potencial: V´=V 0 -V D , y aumenta la corriente de mayoritarios por difusión. V 0 V 0 - V D
  6. 6. Polarización inversa V I I 0 <<<<  E V I crea un campo eléctrico en el mismo sentido que el de la unión, aumenta el E total , aumenta la diferencia de potencial: V´=V 0 +V I , y disminuye la corriente de mayoritarios. Favorece el desplazamiento de huecos hacia la zona p y de e - hacia la zona n , ensanchándose la zona de transición. Pero estos h + y e - provienen de zonas donde son minoritarios. El resultado es que fluye una pequeña corriente I 0 , debida únicamente a los pares e - h + que se generan por agitación térmica llamada CORRIENTE INVERSA DE SATURACIÓN . V 0 + V I V 0
  7. 7. El diodo: dipolo no lineal mV mA R 0 I V
  8. 8. Curva característica V T (300 K) = 25.85 mV k (Constante de Boltzmann) = 1.38·10 -23 JK -1 I 0 : Corriente inversa de saturación 0,4 0,6 0,8 0,2 I 0  A
  9. 9. Aproximaciones o modelos del diodo En el modelo del diodo ideal se equipara éste a un cortocircuito o a un circuito abierto, según cómo esté conectado. R I I I 1ª aproximación: diodo ideal R V I
  10. 10. Aproximación lineal (2ª) Se considera que el diodo conduce sin resistencia por encima de la tensión umbral, y no conduce por debajo de la misma. Esto equivale a considerar un diodo como un interruptor o un diodo ideal en serie con un receptor. V U = 0.3 V para el diodo de Ge V U = 0.7 V para el de Si. V I V U R=1k  V 0 = 6V I V U =0.7 V R=1k  I V 0 = 6V
  11. 11. Aproximación lineal (3ª) La 3ª aproximación es un diodo ideal con una resistencia en serie y una fuente de tensión. 0,4 0,6 0,8 0,2 V u V = V u + IR d  V  I R d =  V /  I R=1k  V 0 = 6V I R d  = 500  V U =0.7 V R=1k  V 0 = 6V I
  12. 12. Tres modelos de diodo I D V D Diodo ideal (1ª aproximación) I D V D R D R D V U V U Modelo lineal (3ª aproximación) V U I D V D V U Modelo simplificado (2ª aproximación)
  13. 13. Influencia de la temperatura E g : Anchura de la banda prohibida en J y 300 K. k: Constante de Boltzmann. C: Coeficiente característico de cada semiconductor.
  14. 14. Capacidad de la unión p-n V 0  E x p x n p n -qN A +qN D Varactores x p x n -qN A +qN D
  15. 15. Tiempo de recuperación inverso t V entrada V s salida t ri ~ ns t IDEAL V s t ri t REAL V s
  16. 16. El diodo como rectificador t V ~ salida t V De media onda: De onda completa: t V ~ ~ Salida
  17. 17. Limitaciones de la rectificación Respuesta a distintas frecuencias con un diodo con un tiempo de recuperación inverso de 5 ns 1 MHz T = 200 t ri 100 MHz T = 2 t ri 25 MHz T = 8 t ri 10 MHz T = 20 t ri
  18. 18. Diodo Zener El diodo Zener funciona en polarización inversa utilizando el fenómeno de conducción por ruptura o avalancha. Para una tensión inversa dada, llamada tensión Zener, ésta se mantiene constante aunque la corriente varíe. En polarización directa funciona como un diodo normal. Tensión Zener V z V I
  19. 19. Región Zener Se debe a una fuerte generación de portadores en la zona de transición debido a estas dos causas: • Multiplicación por avalancha • Ruptura Zener En la práctica, ambos fenómenos se confunden. Se habla de “zona zener” y de “tensión zener” y de “zona de avalancha” y de “tensión de avalancha”.
  20. 20. Multiplicación por avalancha Se produce con tensiones inversas mayores de 5 V. El campo eléctrico acelera los portadores minoritarios que atraviesan la zona de transición con la energía cinética suficiente para romper enlaces covalentes generando más portadores. Si el campo es suficientemente intenso, los nuevos portadores vuelven a chocar y generar más portadores. Se produce una reacción en cadena que genera muchísimos portadores. El dopado controla el fenómeno de avalancha: cuanto más débil es, a mayor tensión se produce. avalancha de electrones zona de transición P ligeramente dopado N altamente dopado Portador minoritario
  21. 21. Ruptura Zener Para tensiones por debajo de 5 V. El campo eléctrico es suficientemente intenso como para romper directamente enlaces. Ambos dopados deben ser muy intensos (  10 24 átomos/m 3 ). zona de transición P altamente dopado N altamente dopado
  22. 22. Modelización del diodo Zener V z R V 0 V s V z V I   R V 0 V s < V z  No conduce V s < V z V z R V 0 V s = V z  V s = V z Conduce
  23. 23. Diodo Zener: aplicaciones V z =5V R=1k  V 0 = 6V I Las tensiones V z  [3 - 20V] P = V z I = 5V·1mA = 5 mW V s V s = V Z = 5V Regulador de tensión Atenuador de rizado t V t V V s = V z V z V 0 V s V rizada
  24. 24. Diodo Schottky <ul><li>Basado en una unión metal–semiconductor. </li></ul><ul><li>No existen portadores minoritarios en la parte metálica, por lo que el tiempo de recuperación inverso es mucho menor. </li></ul><ul><li>Se polariza de modo directo conectando el semiconductor tipo n al cátodo, y el metal al ánodo </li></ul><ul><li>Existe zona de carga espacial sólo en el lado semiconductor. </li></ul><ul><li>El flujo de corriente no se debe a la difusión de portadores como en la unión p - n . </li></ul><ul><li>En ambos lados el portador mayoritario es el electrón. </li></ul><ul><li>Rectifica corrientes alternas del orden de los GHz. </li></ul>- metal (W, Mo,...) n + + - + - + - + - + - + - + - + - + - + -
  25. 25. Diodos emisores de luz (LED) En cualquier unión p-n polarizada de modo directo existe en la zona de unión una recombinación de huecos y electrones. En los diodos de silicio y germanio la energía emitida en la recombinación es mayoritariamente en forma de calor. En los de GaAsP y GaP es, de modo significativo, en forma de luz visible: electroluminiscencia . P N BANDA DE CONDUCCIÓN FOTÓN BANDA DE VALENCIA
  26. 26. Color de la luz emitida por LED GaAs dopado con Zn GaP dopado con N GaP dopado con Zn SiC, ZnSe GaAs 0.6 P 0.4 GaAs 0.35 P 0.65 GaAs 0.15 P 0.85 IR V (V) I 1 2 3
  27. 27. Diodo túnel <ul><li>Dopado muy fuerte, zona de transición muy estrecha (10 nm) </li></ul>V I I pico V pico V valle I v resistencia negativa
  28. 28. Intensidad a través del diodo 35 k  0.7 V 10 V i 2 k  7 V i
  29. 29. Intensidad a través del diodo 30 k  10 k  5 k  0.3 V 12 V i 2 i 1 i 12 = 30i + 5i 1 + 0.3 12 = 30i + 10(i - i 1 )  i 1 = 0.216 mA
  30. 30. Intensidad a través del diodo 70 k  10 k  30 k  0.7 V 0.25  20 V Tema siguiente J 2
  31. 31. El diodo como rectificador t 5 V 0,7 V V 4,3 V ~ salida Si V u = 0,7 V

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