DIODOS SEMICONDUCTORES Copyright Tecsup 2011 LEY DE OHM Ing. Baker Carpio • La Ley de Ohm, postulada por el físico
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DIODOS SEMICONDUCTORES
Copyright Tecsup 2011
LEY DE OHM
Ing. Baker Carpio
• La Ley de Ohm, postulada por el físico y matemático alemán Georg Simon Ohm, es una de las leyes fundamentales de la electronica, electricidad.
El flujo de corriente en ampere que circula por un circuito eléctrico cerrado, es directamente proporcional a la tensión o voltaje aplicado, e inversamente proporcional a la resistencia en ohm de la carga que tiene conectada.
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Tecsup 2012-I
Ing. Baker Carpio
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ley de nodos o primera ley de Kirchhoff
• “En cualquier nodo, la suma de las corrientes que entran en ese nodo es igual a la suma de las corrientes que salen. De forma equivalente, la suma de todas las corrientes que pasan por el nodo es igual a cero”
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• Esta fórmula es válida también para circuitos complejos:
• La ley se basa en el principio de la conservación de la carga donde la carga en couloumbs es el producto de la corriente en amperios y el tiempo en segundos.
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Segunda ley de Kirchhoff, ley de lazos de Kirchhoff oCarpio ley Ing. Baker de mallas de Kirchhoff
• “En un lazo cerrado, la suma de todas las caídas de tensión es igual a la tensión total suministrada. De forma equivalente, la suma algebraica de las diferencias de potencial eléctrico en un lazo es igual a cero.”
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• De igual manera que con la corriente, los voltajes también pueden ser complejos, así:
• Esta ley se basa en la conservación de un campo potencial de energía. Dado una diferencia de potencial, una carga que ha completado un lazo cerrado no gana o pierde energía al regresar al potencial inicial.
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INTRODUCCIÓN La electrónica trata de la teoría y de la aplicación de los dispositivos que controlan la corriente, en ellos están incluidos los dispositivos de semiconductor y hasta hace algunos años los tubos de vacío. Los semiconductores son sólidos, cuya resistividad es intermedia entre la de los conductores eléctricos y la de los aislantes.
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Tecsup 2012-I U01 Conceptos Fundamentales de la Electricidad
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Materiales semiconductores
• Conductor: material que soporta un gran flujo de carga/corriente. – Material que permite el flujo de carga cuando una fuente de voltaje se aplica entre sus terminales.
• Aislante: material con nivel bajo de conductividad de corriente. – Presenta un nivel de paso e corriente muy bajo(Conductividad)
• Semiconductor: material que posee un nivel de conductividad entre los extremos de un aislante y un conductor. 16
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Los mejores conductores tienen un electrón de valencia, mientras que los mejores aislantes tienen 8 electrones de valencia.
Un semiconductor es un elemento con propiedades eléctricas entre las de un conductor y un aislante por tanto los mejores semiconductores tienen 4 electrones de valencia. Por efectos de temperatura en estos materiales hay electrones que se desligan de sus átomos quedando un electrón libre. La salida del electrón deja un vacío en el orbital de valencia que se denomina hueco (átomo sin electrón) estos huecos se constituyen en portadores de carga positiva. recombinación es la unión de un electrón libre y un hueco.
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Ing. Baker Carpio
Los átomos de los semiconductores se organizan en un patrón definido que se repite continuamente. Un patrón completo se llama Cristal y el arreglo periódico se llama red. Cualquier material compuesto únicamente de estructuras cristalinas repetidas del mismo tipo se denomina: estructura monocristal.
Tecsup 2012-I 18
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Semiconductores intrínsecos Un semiconductor intrínseco es un semiconductor puro, tienen el mismo número de electrones libres y el mismo número de huecos. A menudo a los electrones libres y huecos se denominan portadores. Una forma de incrementar la conductividad de un semiconductor es mediante el dopaje. El dopaje consiste en añadir átomos de impurezas a un cristal intrínseco Para incrementar el número de electrones libres se añaden pentavalentes al cristal puro.
átomos
Para incrementar el número de huecos se añaden átomos que tengan sólo tres electrones de valencia. El grado de impurezas llega hasta 1 parte por cada 10.000.000.000
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A temperatura ambiente existen cerca de 1,5X1010portadores libres en un 1cm3 de material intrinseco de silicio 27/03/201 3
Ing. Baker Carpio
El germanio y el silicio en estado intrinseco son malos conductores
Tecsup 2012-I U01 Conceptos Fundamentales de la Electricidad
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Semiconductores extrínsecos Un semiconductor se puede dopar para tener exceso de electrones libres o exceso de huecos, por tanto existen dos tipos de semiconductores dopados. Semiconductor tipo N El silicio que ha sido dopado con impurezas pentavalentes (antinonio, arsénico y fósforo) se denomina semiconductor tipo n, donde n hace referencia a negativo. Los electrones libres son los portadores mayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios. Semiconductor tipo P El silicio que ha sido dopado con impurezas trivalentes (Boro, galio e indio) se denomina semiconductor tipo p, donde p hace referencia a positivo. Los huecos serán los portadores mayoritarios y Los electrones libres los portadores minoritarios.
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Semiconductores
• Silicio y Germanio. • Valencia 4
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Materiales semiconductores extrínsecos Tipo N Ing. Baker Carpio
Dopado de antimonio, arsénico y fósforo: • Tipo N. (adición + 5 electrones de valencia) • Las impurezas difundidas se denominan atomos donores. • La carga eléctrica es cero debido a que el numero de Electrones es igual al numero de protones en la estructura. • El electron libre aumenta la conductividad del material.
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• El átomo pentavalente en un cristal de silicio (Si) produce un electrón libre y se puede representar como un signo "+" encerrado en un circulo y con un “–” (que sería el electrón) al lado.
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Materiales semiconductores extrínsecos Tipo P: Ing. Baker Carpio
Boro, galio e indio: • Tipo P. (adición + 3 electrones de valencia) • Las impurezas difundidas se denominan atomos aceptores. • La carga eléctrica es cero debido a que el numero de Electrones es igual al numero de protones en la estructura. 25
Ing. Baker Carpio
• El átomo trivalente sería un signo "-" encerrado en un circulo y con un “+” sin rellenar al lado (que simbolizaría un hueco).
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Ing. Baker Carpio
DIODO SEMICONDUCTOR (Diode)
P ÁNODO
ZONA TRANSICIÓN -
+
-
+
-
+
-
+
ÁNODO
SÍMBOLO
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Zona libre de cargas. Solo quedan los iones fijos.
N CÁTODO
CÁTODO
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• Existen tres posibilidades al aplicar un voltaje a través de las terminales del diodo: • No hay polarización (Vd = 0 V). • Polarización directa (Vd > 0 V). • Polarización inversa (Vd < 0 V).
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Introducción a la física de estado sólido: semiconductores Semiconductor extrínseco: TIPO N +
+ +
+ Electrones libres
+
+ +
+ +
+
+
+
+ +
+
Impurezas grupo V
+
300ºK
Átomos de impurezas ionizados
Los portadores de carga en un semiconductor tipo N son electrones libres
Introducción a la física de estado sólido: semiconductores Semiconductor extrínseco: TIPO P -
-
Huecos libres
-
-
-
-
-
-
-
-
-
300ºK
Átomos de impurezas ionizados
Los portadores de carga en un semiconductor tipo P son huecos. Actúan como portadores de carga positiva.
La unión P-N La unión P-N en equilibrio -
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
-
+
+
-
-
+
+
-
Semiconductor tipo P
+
+ +
+
+
+
+
+
Semiconductor tipo N
+
La unión P-N La unión P-N en equilibrio
Zona de transición
-
-
-
-
-
-
-
-
Semiconductor tipo P
+
+
+
-
+
+
-
-
+
+
-
-
+
+
+ +
+
+
+
+
+
+
Semiconductor tipo N
Al unir un semiconductor tipo P con uno de tipo N aparece una zona de carga espacial denominada ‘zona de transición’. Que actúa como una barrera para el paso de los portadores mayoritarios de cada zona.
La unión P-N La unión P-N polarizada inversamente
P
-
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
-
+ +
+ +
+
+
N
+
+
-
-
+
+
+
+
+
+
La zona de transición se hace más grande. Con polarización inversa no hay circulación de corriente.
La unión P-N La unión P-N polarizada en directa
P
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
-
-
+
+ +
+ +
-
+
N
+
+
-
-
+
+
+
+
+
+
La zona de transición se hace más pequeña. La corriente comienza a circular a partir de un cierto umbral de tensión directa.
La unión P-N La unión P-N polarizada en directa
P
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
-
-
Concentración de huecos
+
+ +
+ +
-
+
N
+
+
-
-
+
+
+
+
+
Concentración de electrones +
La recombinación electrón-hueco hace que la concentración de electrones en la zona P disminuya al alejarse de la unión.
La unión P-N Conclusiones: Aplicando tensión inversa no hay conducción de corriente
Al aplicar tensión directa en la unión es posible la circulación de corriente eléctrica
P
N
DIODO SEMICONDUCTOR
Ing. Baker Carpio
El diodo semiconductor se forma uniendo los materiales tipo N y tipo P, los cuales deben estar construidos a partir del mismo material base, el cual puede ser Ge o Si. En el momento en que dos materiales son unidos (uno tipo N y el otro tipo P), los electrones y los huecos que están en, o cerca de, la región de "unión", se combinan y esto da como resultado una carencia de portadores (tanto como mayoritarios como minoritarios) en la región cercana a la unión. Esta región de iones negativos y positivos descubiertos recibe el nombre de Región de Agotamiento por la ausencia de portadores.
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Ing. Baker Carpio
• Existen tres posibilidades al aplicar un voltaje a través de las terminales del diodo: • No hay polarización (Vd = 0 V). • Polarización directa (Vd > 0 V). • Polarización inversa (Vd < 0 V).
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Vd=0V
Ing. Baker Carpio
Vd = 0 V. En condiciones sin polarización, los portadores minoritarios (huecos) en el material tipo N que se encuentran dentro de la región de agotamiento pasarán directamente al material tipo P y viceversa. En ausencia de un voltaje de polarización aplicado, el flujo neto de carga (corriente) en cualquier dirección es cero para un diodo semiconductor. El campo eléctrico entre los iones es equivalente a una diferencia de potencial llamada "Barrera de Potencial" que a 25 ºC vale: 0.3 V para diodos de Ge. 0.7 V para diodos de Si.
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POLARIZACION DIRECTA
Ing. Baker Carpio
• Se produce cuando se conecta el polo positivo de la bateria a la parte P de la unión P - N y la negativa a la N. En estas condiciones podemos observar que: – El polo negativo de la batería repele los electrones libres del cristal n, con lo que estos electrones se dirigen hacia la unión p-n. – El polo positivo de la batería atrae a los electrones de valencia del cristal p, esto es equivalente a decir que empuja a los huecos hacia la unión p-n. – Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batería es mayor que la diferencia de potencial en la zona de carga espacial, los electrones libres del cristal n, adquieren la energía suficiente para saltar a los huecos del cristal p, los cuales previamente se han desplazado hacia la unión p-n. – Una vez que un electrón libre de la zona n salta a la zona p atravesando la zona de carga espacial, cae en uno de los múltiples huecos de la zona p convirtiéndose en electrón de valencia. Una vez ocurrido esto el electrón es atraído por el polo positivo de la batería y se desplaza de átomo en átomo hasta llegar al final del cristal p, desde el cual se introduce en el hilo conductor y llega hasta la batería.
» Id = I mayoritarios - Is
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POLARIZACION INVERSA •
•
Ing. Baker Carpio
Condición de Polarización Inversa (Vd < 0 V). Bajo esta condición el número de iones positivos descubiertos en la región de agotamiento del material tipo N aumentará debido al mayor número de electrones libres arrastrados hacia el potencial positivo del voltaje aplicado. El número de iones negativos descubiertos en el material tipo P también aumentará debido a los electrones inyectados por la terminal negativa, las cuales ocuparán los huecos. El fenómeno explicado anteriormente, en ambos tipos de material N y P, provocará que la región de agotamiento se ensanche o crezca hasta establecer una barrera tan grande que los portadores mayoritarios no podrán superar, esto significa que la corriente Id del diodo será cero. Sin embargo, el número de portadores minoritarios que estarán entrando a la región de agotamiento no cambiará, creando por lo tanto la corriente Is. La corriente que existe bajo condiciones de polarización inversa se denomina corriente de saturación inversa,Is.
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Ing. Baker Carpio
• El término "saturación" proviene del hecho que alcanza su máximo nivel (se satura) en forma rápida y no cambia significativamente con el incremento en el potencial de polarización inversa, hasta que al valor Vz o VPI, voltaje pico inverso.
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Ing. Baker Carpio
INCISO: Representación del componentes eléctricos en diagrama V-I I
V
I
I
+
V V
-
+ V
V
Resistencia (R)
I
V V
Batería
V
-
I
+
-
I
+
Corto (R = 0)
I
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I
-
Abierto (R = ∞)
V
I
I
+ V
Fuente Corriente
Ing. Baker Carpio
POLARIZACIÓN DIRECTA: LA CONSIDERACIÓN INTUITIVA ES BASTANTE CIERTA
Huecos (zona P) y electrones (zona N) mayoritarios se ven empujados a "invadir" la zona de transición.
I
P
N
La zona de transición se ve reducida drásticamente. La corriente se debe a mayoritarios y la corriente directa puede llegar a ser importante. La aproximación de una resistencia pequeña (idealmente un cable es razonable)
+ 44
P
N
-
Ing. Baker Carpio
POLARIZACIÓN INVERSA: FALLA LA INTUICIÓN.
Huecos (zona P) y electrones (zona N) mayoritarios se ven empujados a "escapar" de la zona de transición.
I
P
La zona de transición aumenta drásticamente. La corriente se debe a minoritarios y la corriente directa será muy pequeña (idealmente nula).
N
La mejor aproximación es un cable roto (falla la intuición)
45
P
N -
-
+
+
-
-
+
+
-
-
+
+
-
-
+
+
+
Ing. Baker Carpio
CARACTERÍSTICA DEL DIODO (CONCLUSIONES) Idealmente, permite corriente directa (se comporta como un cable) y bloquea o no permite la corriente inversa (se comporta como un cable roto) I +
P
V -
I
¡¡ PRESENTA UN COMPORTAMIENTO NO LINEAL !!
N V
SEMEJANZA Un símil hidráulico podría ser una válvula anti-retorno, permite pasar el agua (corriente) en un único sentido. 46
1ª Aproximación (el diodo ideal)
Ing. Baker Carpio
La exponencial se aproxima a una vertical y una horizontal que pasan por el origen de coordenadas. Este diodo ideal no existe en la realidad, no se puede fabricar por eso es ideal.
Polarización directa: Es como sustituir un diodo por un interruptor cerrado.
Polarización inversa: Es como sustituir el diodo por un interruptor abierto.
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Ing. Baker Carpio
EJEMPLO:
En polarización directa:
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2ª Aproximación
Ing. Baker Carpio
La exponencial se aproxima a una vertical y a una horizontal que pasan por 0,7 V (este valor es el valor de la tensión umbral para el silicio, porque suponemos que el diodo es de silicio, si fuera de germanio se tomaría el valor de 0,2 V). El tramo que hay desde 0 V y 0,7 V es en realidad polarización directa, pero como a efectos prácticos no conduce, se toma como inversa. Con esta segunda aproximación el error es menor que en la aproximación anterior
Polarización directa: La vertical es equivalente a una pila de 0,7 V.
Polarización inversa: Es un interruptor abierto. 49
Ing. Baker Carpio
EJEMPLO: Resolveremos el mismo circuito de antes pero utilizando la segunda aproximación que se ha visto ahora. Como en el caso anterior lo analizamos en polarización directa:
Como se ve estos valores son distintos a los de la anterior aproximación, esta segunda aproximación es menos ideal que la anterior, por lo tanto es más exacta, esto es, se parece más al valor que tendría en la práctica ese circuito.
Tecsup 2012-I U01 Conceptos Fundamentales de la Electricidad
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3ª Aproximación
Ing. Baker Carpio
La curva del diodo se aproxima a una recta que pasa por 0,7 V y tiene una pendiente cuyo valor es la inversa de la resistencia interna.
El estudio es muy parecido a los casos anteriores, la diferencia es cuando se analiza la polarización directa:
Tecsup 2012-I U01 Conceptos Fundamentales de la Electricidad
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Ing. Baker Carpio
EJEMPLO: En el ejemplo anterior usando la 3ª aproximación, tomamos 0,23 ohms como valor de la resistencia interna.
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Ing. Baker Carpio
DIODO REAL ánodo p A
cátodo
1
n
Ge K
Símbolo
I D I S e 53
i [mA]
Si V [Volt.]
-0.25
VD q K T
1
0
0.25
0.5
IS = Corriente Saturación Inversa K = Cte. Boltzman VD = Tensión diodo q = carga del electrón T = temperatura (ºK) ID = Corriente diodo
Ing. Baker Carpio
DIODO REAL (Distintas escalas)
i [mA] 1
Ge
Si V [Volt.]
-0.25
Marco Arcos Camargo 54
0
0.25
0.5
Ing. Baker Carpio
DIODO: DISTINTAS APROXIMACIONES
I
I
Solo tensión de codo Ge = 0.3 Si = 0.7
Ideal
V
Tensión de codo y Resistencia directa
V
I
V
I Corriente de fugas con Tensión de codo y Resistencia directa V
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I
Curva real (simuladore s, análisis gráfico) V
Ing. Baker Carpio
CURVA CARACTERISTICA DEL DIODO Tensión umbral, de codo o de partida (Vγ ). Corriente máxima (Imax ). Corriente inversa de saturación (Is ) Corriente superficial de fugas. Es la pequeña corriente que circula por la superficie del diodo (ver polarización inversa), esta corriente es función de la tensión aplicada al diodo, con lo que al aumentar la tensión, aumenta la corriente superficial de fugas. Tensión de ruptura (Vr )
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CURVA CARACTERISTICA DEL DIODO Voltajes Inversos Máximos
URmax 80-1500V Si
URmax 40-100V Ge
Corrientes Residuales en dirección inversa.
Iresid 5-500nA Si
Iresid 10-500uA Ge
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DIODO: LIMITACIONES
Corriente máxima Tensión inversa máxima Ruptura de la Unión por avalancha
I
Límite térmico, sección del conductor
V
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Ing. Baker Carpio
DIODO: Parámetros facilitados por fabricantes id IOmax
VR = 1000V IOMAX (AV)= máxima VF = 1V IR = 50 nA
VR = 100V IOMAX (AV)= máxima VF = 1V IR = 25 nA 59
Tensión inversa máxima 1A Corriente directa Caída de Tensión directa Corriente inversa
Tensión inversa máxima 150mA Corriente directa
Caída de Tensión directa Corriente inversa
VR iS
Vd
NOTA: Se sugiere con un buscador obtener las hojas de características de un diodo (p.e. 1N4007). Normalmente aparecerán varios fabricantes para el mismo componente.
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Tecsup 2012-I U01 Conceptos Fundamentales de la Electricidad
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Ing. Baker Carpio
Tecsup 2012-I U01 Conceptos Fundamentales de la Electricidad
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DIODOS ESPECIALES
Diodo Zener (Zener diode)
Tensión Zener (VZ)
En la zona Zener se comporta como una fuente de tensión (Tensión Zener).
I
Necesitamos, un límite de corriente inversa.
V
Límite máximo Normalmente, límite de potencia máxima 62
La ruptura no es destructiva. (Ruptura Zener).
Podemos añadir al modelo lineal la resistencia Zener. Aplicaciones en pequeñas fuentes de tensión y referencias.
Ing. Baker Carpio
DIODOS ESPECIALES
Diodo LED (LED diode)
Diodo emisor de Luz = Light Emitter Diode
El semiconductor es un compuesto III-V (p.e. Ga As). Con la unión PN polarizada directamente emiten fotones (luz) de una cierta longitud de onda. (p.e. Luz roja)
A
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K
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DIODOS ESPECIALES Los diodos basados en compuestos III-V, presentan
Fotodiodos (Photodiode) una corriente de fuga proporcional a la luz incidente (siendo sensibles a una determinada longitud de onda).
i V 0
iopt
Estos fotodiodos se usan en el tercer cuadrante. Siendo su aplicaciones principales: Sensores de luz (fotómetros) Comunicaciones
COMENTARIO Los diodos normales presentan variaciones en la corriente de fugas proporcionales a la Temperatura y pueden ser usados como sensores térmicos
El modelo puede ser una fuente de corriente dependiente de la luz o de la temperatura según el caso
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i V
I = f(T)
T1 T2>T1
0
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DIODOS ESPECIALES
Células solares (Solar Cell)
i
En este caso, el dispositivo puede usarse como generador.
VCA
V Zona uso
iCC Paneles de células solares
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Cuando incide luz en una unión PN, la característica del diodo se desplaza hacia el 4º cuadrante.
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DIODOS ESPECIALES
Diodo Varicap
La unión PN polarizada inversamente puede asimilarse a un condensador de placas planas (zona de transición).
(Varicap , Varactor or Tuning diode)
-
P
N -
-
+
+
-
-
+
+
-
-
+
+
-
-
+
+
Esta capacidad se llama Capacidad de Transición (CT).
+
Notar, que al aumentar la tensión inversa aumenta la zona de transición. Un efecto parecido al de separar las placas de un condensador (CT disminuye).
Dieléctrico
Tenemos pues una capacidad dependiente de la tensión inversa. Un diodo Varicap tiene calibrada y caracterizada esta capacidad.
CT 30 pF
Uso en equipos de comunicaciones (p.e. Control automático de frecuencia en sintonizadores)
d
VI
10 V 66
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DIODOS ESPECIALES
Diodo Schottky (Schottky diode) Unión Metal-semiconductor N. Produciéndose el llamado efecto schottky. La zona N debe estar poco dopada. Dispositivos muy rápidos (capacidades asociadas muy bajas). Corriente de fugas significativamente mayor. Menores tensiones de ruptura. Caídas directas mas bajas (tensión de codo 0.2 V, 0.4V). Aplicaciones en Electrónica Digital y en Electrónica de Potencia 67
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ASOCIACIÓN DE DIODOS
Diodo de alta tensión (Diodos en serie)
Puente rectificador Monofásico
+
Trifásico
+
DISPLAY -
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Display a 7 segmentos
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APLICACIONES DE DIODOS
Detectores reflexión de objeto
Detectores reflexión de espejo 70
Detectores de barrera
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APLICACIONES DE DIODOS
Sensores de luz: Fotómetros Sensor de lluvia en vehículos Detectores de humo Turbidímetros Sensor de Color LED
Fotodetector
Objetivo
LED azul LED
LED verde LED rojo
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Fotodiodo
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APLICACIONES DEL DIODO
Los diodos (y el resto de dispositivos electrónicos) son dispositivos no lineales. ¡Cuidado, no se puede aplicar el principio de superposición! ¡Cuidado, no se puede aplicar el análisis con complejos
EJEMPLO TÍPICO:
VE
RECTIFICADOR
t
VE
-
VMAX R
VE t
72
VS
+
VMAX
VS
t
ID
VD
PRUEBA DEL DIODO CON EL OHMIMETRO
Tecsup 2012-I U01 Conceptos Fundamentales de la Electricidad
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PRUEBA DEL DIODO CON LA FUNC. DIODO
Tecsup 2012-I U01 Conceptos Fundamentales de la Electricidad
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PRUEBA DEL DIODO EN FUNCIONAMIENTO
Tecsup 2012-I U01 Conceptos Fundamentales de la Electricidad
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APLICACIONES
Tecsup 2012-I U01 Conceptos Fundamentales de la Electricidad
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Ejercicio 1
• Para la siguiente configuración calcule ID, VR.
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Ing. Baker Carpio
Ing. Baker Carpio
• Calcular la corriente a traves de la resistencia (VT=0.62).
78
Ing. Baker Carpio
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Ejercicio 2
• Para la siguiente configuración calcule ID, VR.
80
Ing. Baker Carpio
Ing. Baker Carpio
Ejercicio 3 En la siguiente red determinar ID, Vo, voltaje en cada resistencia y potencia del diodo. Si
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Ing. Baker Carpio
Ejercicio 4 Para el circuito mostrado determinar el valor de Vo
Uo 4,7k +20V
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Si +5V
Ing. Baker Carpio
Ejercicio 4 A un estudiante de PFR se le pide demostrar aplicando las leyes de la electricidad si el diodo del circuito mostrado esta en conducción.
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Ing. Baker Carpio
Ejercicio 5 Determinar ID , Vo y el voltaje en cada resistencia
84
Ing. Baker Carpio
Cual es el valor y su sentido de la corriente en R2
85
END
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