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• Leydi Pozo

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DIODO SEMICONDUCTOR

¿Qué un diodo?. El diodo es el primer dispositivo electrónico que se presenta, el más sencillo de los dispositivos semiconductores, pero que desempeña un papel muy importante en los sistemas electrónicos. un diodo conducirá corriente en la dirección que define la flecha en el símbolo, y actuará como un circuito abierto en cualquier intento por establecer corriente en dirección opuesta. El diodo ideal es un dispositivo con dos terminales. que tiene el símbolo y características que se muestran en la siguiente figura.

La característica primordial que nos muestra el diodo ideal es conducir corriente en una sola dirección. Otra aclaración para poder entender los diodos es que por lo general Para la mayoría de los dispositivos, la ordenada (o eje "y") será el eje de la corriente y la abscisa (o eje "x") será el eje del voltaje. Para entender mejor esto planteamos la ley de Ohm que nos dice que cuando el circuito se encuentra en el primer cuadrante del grafico anterior se tiene.

Rf =

Vf If

Si le damos valores a las variables tendríamos.

Rf =

0V =0 Ω 4, 5,6, … … . mA

Sabiendo que Vf es el voltaje e If es la corriente. Por lo tanto con esta operación podemos decir que el diodo ideal en el primer cuadrante es un circuito cerrado en la región de conducción.

Por otro lado nos dice que si el circuito se encuentra en el tercer cuadrante tenemos lo siguiente al remplazar valores.

Rf =

Rf =

Vf If

−5,−20,… … . =∞ Ω 0 mA

Así mismo gracias a esta operación podemos decir que el diodo ideal es un circuito abierto en la región de no conducción. Por lo general para determinar si un diodo se encuentra en la región de conducción o de no conducción, se debe distinguir observando la dirección de la corriente If que se establece mediante un voltaje aplicado. Para el flujo convencional, si la corriente resultante del diodo tiene la misma dirección que la punta de la flecha del símbolo del diodo, éste está operando en la región de conducción; Si la corriente resultante tiene la dirección opuesta el circuito, se está operando en la región de no conducción.

Materiales semiconductores Un material semiconductor es aquel que se encuentra entre los materiales aislantes y los conductores, es decir que se encuentra en el medio. Para entender mejor los materiales semiconductores debemos de analizar la conductibilidad y con ella la resistividad. La resistividad se utiliza a menudo para comparar los niveles de resistencia de los materiales. En unidades métricas, la resistividad de un material se mide en Ω-cm o Ωm. Para calcular la resistencia tenemos la siguiente formula:

R= p    

l A Donde R es la resistencia P es la resistividad L es la longitud, y A es el área.

Sabiendo esto ahora hablaremos de los tipos e materiales semiconductores mas utilizados. El material tipo n y el tipo p se forman mediante la adición de un número predeterminado de átomos de impurezas al germanio o al silicio. o

El tipo de material n se forma al consolidar o introducir impurezas de elementos que poseen cinco electrones de valencias, como el fosforo, antimonio y arsénico.

o

El tipo de material P se forma al dopar átomos de silicio o germanio con átomos de impureza con tres electrones de valencia, como el boro, galio e indio.

Niveles de energía Cada material tiene su propio conjunto de niveles de energía en su estructura atómica. “Mientras más distante se encuentre el electrón del núcleo, mayor es el estado de energía, y cualquier electrón que haya dejado a su átomo, tiene un estado de energía mayor que cualquier electrón en la estructura atómica.” (Nashelsky, 1997) Los niveles de energía se calculan de la siguiente forma

W =QV   

Donde W es el nivel de energía Q es la carga y V es el voltaje

Flujo de electrones comparado con flujo de huecos Si un electrón de valencia adquiere suficiente energía cinética para romper su unión covalente y llena un hueco. Entonces se creará un hueco en la unión covalente que liberará el electrón. Sin embargo, existe una transferencia de huecos hacia la izquierda y de electrones hacia la derecha. La dirección que se utilizará en el texto es la del flujo convencional, el cual se indica por la dirección del flujo de huecos.

Portadores mayoritarios y minoritarios En un material tipo n, al electrón se lo denomina portador mayoritario y al hueco minoritario. En un material tipo p, al electrón se lo denomina portador minoritario y al hueco mayoritario.

El diodo semiconductor es el dispositivo semiconductor más sencillo o más simple que se puede encontrar en cualquier circuito electrónico. Los diodos se crean al juntar los dos tipos de materiales. En el momento en que son "unidos" los dos materiales, los electrones y los huecos en la región de la unión se combinan, dando por resultado una falta de portadores en la región cercana a la unión.

Polarización El diodo es un dispositivo de dos terminales por lo tanto, la aplicación de voltajes a través de estos terminales permiten que se cree tres posibilidades. 1. Sin polarización 2. Polarización directa 3. Polarización inversa Sin polarización.- nos dice que en ausencia de un voltaje de polarización aplicado, el flujo de la carga en cualquier dirección para un diodo semiconductor, es cero, es decir que no existe conducción eléctrica en ninguna dirección.

Polarización directa.- un diodo semiconductor tiene polarización directa cuando se ha establecido la asociación tipo p positivo y tipo n negativo

Polarización inversa.- un diodo semiconductor tiene polarización inversa cuando circula en dirección de n hacia p

A través del empleo de la física del estado sólido se puede demostrar que las características generales de un diodo semiconductor se pueden definir mediante la ecuación siguiente para las regiones de polarización directa e inversa: kVd

ID=Is( e Tk −1) Siendo    

Is = corriente de saturación inversa K = 11 ,600 /n con n = 1 para Ge y n= 2 para Si TK = Tc +273° VD = voltaje

Para valores positivos de VD el primer término de la ecuación anterior crecerá con mayor rapidez, y superará el efecto del segundo término. El resultado será positivo para los valores positivos de VD e ID y crecerá de la misma manera que la función y= ex. En VD =0 V, remplazando VD la ecuación anterior se convierte en: ID =Is(e0 - 1) =IS (1 - 1) = 0 mA, Para valores negativos de VD el primer término disminuirá rápidamente debajo de IS dando como resultado ID =-IS.

Región Zener Aunque la escala de la figura 1.19 se encuentra en múltiplos de diez volts en la región negativa, existe un punto en el cual la aplicación de un voltaje demasiado negativo dará por resultado un agudo cambio en las características, como lo muestra la figura 1.22. La corriente se incrementa a una velocidad muy rápida en una dirección opuesta a aquella de la región de voltaje positivo. El potencial de polarización inversa que da como resultado este cambio muy drástico de las características se le llama potencial Zener y se le da el símbolo Vz. Mientras el voltaje a través del diodo se incrementa en la región de polarización inversa, la velocidad de los portadores minoritarios responsables de la corriente de saturación inversa IS también se incre mentarán.

SILICIO EN FUNCION DEL GERMANIO Los valores PIV para el silicio pueden encontrarse en la vecindad de 1000 V, mientras que el valor máximo para el germanio está más cerca de los 400 V. El silicio puede utilizarse para aplicaciones en las cuales la temperatura puede aumentar a cerca de 200 °C (400°F), mientras que el germanio tiene un valor máximo mucho menor (l00 °C). Sin embargo, la desventaja del silicio, comparado con el germanio, es el mayor voltaje de polarización directa que se requiere Efectos de la temperatura La temperatura puede tener un marcado efecto sobre las características de un diodo semiconductor de silicio, A partir de múltiples experimentos se encontró que: La corriente de saturación inversa ls será casi igual al doble en magnitud por cada 10°C de incremento en la temperatura. No es poco frecuente que un diodo de germanio con un 1, del orden de 1 o 2 ¡.LA a 25 oC tenga una corriente de fuga de 100).lA = 0.1 roA a una temperatura de 100 oc. Niveles de resistencia Resistencia en dc o estática La aplicación de un voltaje dc a un circuito que contiene un diodo semiconductor tendrá por resultado un punto de operación sobre la curva característica que no cambiará con el tiempo. La resistencia del diodo en el punto de operación puede encontrarse con sólo localizar los niveles correspondientes de VD e ID como se muestra en la figura 1.25 y aplicando la siguiente ecuación:

Los niveles de resistencia en dc en el punto de inflexión y hacia abajo serán mayores que los niveles de resistencia que se obtienen para la sección de crecimiento vertical de las características. Como es natural, los niveles de resistencia en la región de polarización inversa serán muy altos. Debido a que, por lo regular, los óhmetros utilizan una fuente de comente relativamente constante, la resistencia determinada será en el nivel de corriente predeterminado (casi siempre unos cuantos miliamperes).

Resistencia en dc o estática Cuando se aplica una señal senoidal, el cálculo de la R se lleva a cabo al considerar una línea tangente al punto Q tal como se observa en las figuras 2.9 y 2.10, en tal situación la resistencia dinámica se define por:

La ecuación 2.3 es de raro empleo ya que formalmente se define a la pendiente de una curva en el punto Q, como la derivada en dicho punto, de esta forma es posible demostrar que la resistencia dinámica esta dada por:

Ejemplo

Resistencia en ac promedio La resistencia ac promedio es, por definición, la resistencia determinada por una línea recta dibujada entre dos intersecciones establecidas por unos valores máximos y mínimos del voltaje de entrada, En forma de ecuación Si la señal senoidal es de gran amplitud, entonces es necesario emplear los puntos extremos por los que oscila la respuesta de ID en ca para la determinación de la resistencia promedio en ca (véase la figura 2.11 y su respectivo cálculo)

CIRCUITOS EQUIVALENTES PARA DIODOS Un circuito equivalente es una combinación de elementos elegidos de forma apropiada para representar de la mejor manera las características terminales reales de un dispositivo, sistema o similar, para una región de operación en particular. Circuito equivalente de segmentos lineales Una técnica para obtener un circuito equivalente para un Diodo consiste en aproximar las características del dispositivo utilizando segmentos de lineas rectas. Las lineas rectas no representaran una copia exacta de las caracteristicas reales, especialmente en la region del punto de inflexion; sin embargo los elementos, los segmentos resultantes son lo suficientemente aproximados ala curva real que posible establecer un circuito equivalente que proporcionara una primera aproximacionexecelente al comportamiento real del dsipositivo.

CIRCUITO EQUIVALENTE SIMPLIFICADO Para lamayoria de las aplicaciones, la resistencia Rav es lo suficientemente pequeña para compararla con los otros elementos de la red, como para poder ignorarla. Laeliminacion de Rav del circuito equivalente es similar a afirmar que las caracteristicas del Diodo. Esta aproximacion se utiliza frecuentemente en el analisis de circuitossemiconductores. El circuito equivalente reducido se muestra manifiesta que ealoresnominales n un sistema electronico, un Diodo de silicio polarizado directamente, bajo condiciones de corriente dc tendra una caida de 0.7v atraves de el, en el estado deconduccion a cualquier nivel de corriente del diodo (dentro de los valores nomiales). CIRCUITO EQUIVALENTE IDEAL Una ves que se eliminado Rav del circuito equivalente vayamos a un paso adelante yestablescamos que un nivel de 0.7 v normalmente puede ignorarse cuando se compara con el nivel se voltage aplicado. En este caso, el circuito equivalente se reducira al de unDiodo ideal con sus caracteristicas. En la industria, una popular sustitucion de la frase "circuito equivalente Diodo, un modelo por definicion es una representacion de un dispositivo, objeto, sistema, u otro existente. Tabla resumen .

Tabla T1 Modelos de diodo HOJAS DE ESPECIFICACIONES DE DIODOS Estas son hojas de datos técnicos detallados de las características del diodo, los límites de potencia, voltaje, frecuencia, temperatura etc… Los datos acerca de los dispositivos semiconductores específicos suele presentarlos el fabricante de dos maneras. Es común que consistan sólo de una breve descripción limitada, a veces de una página. De otra forma, es un extenso examen de las características con sus gráficas, trabajo artístico, tablas, etc. Sin embargo, en cualquier caso, existen piezas específicas de datos

que deben incluirse para una correcta utilización del dispositivo. Éstos incluyen: l. El voltaje directo VF (a una corriente y temperatura especificadas) 2. La corriente directa máxima IF (a una temperatura especificada) 3. La corriente de saturación inversa IR (a una corriente y temperatura especificadas) 4. El valor de voltaje inverso [PIVo PRV o V(BR), donde BR proviene del término "ruptura" (por la inicial en inglés de: breakdown) (a una temperatura especificada)] 5. El nivel máximo de disipación de potencia a una temperatura en particular 6. Los niveles de capacitancia (según se definirá en la sección 1.10) 7. El tiempo de recuperación inverso t" (como se definirá en la sección 1.11) 8. El rango de temperatura de operación Puesto que:

CAPACITANCIA DE TRANSICIÓN Y DIFUSIÓN Los dispositivos electrónicos son inherentemente sensibles a las frecuencias muy altas. Casi todos los efectos relativos a la capacitancia pueden omitirse a bajas frecuencias, debido a que su reactancia Xc = \l2rtfe es muy grande (equivalente a circuito abierto). Sin embargo, esto no se puede ignorar a frecuencias muy altas. X" será lo suficientemente pequeño debido al alto valor de f para presentar una trayectoria de "corto" de baja reactancia. En el diodo semiconductor p-n existen dos efectos de capacitancia que deben considerarse. Ambos tipos de capacitancia se encuentran presentes en las regiones de polarización directa y polarización inversa, pero una sobrepasa a la otra de tal manera que en cada región sólo se consideran los efectos de una sola capacitancia. En la región de polarización inversa se tiene la capacitancia de la región de transición o de agotamiento (eT), mientras que en la región de polarización directa se tiene la capacitancia de difusión (e J o de almacenamiento.Recuerde que la ecuación básica para la capacitancia de un capacita EL DIODO ZENER El diodo zener es un tipo de diodo que se diseña para operar en la región zener, en la figura 2.13 se muestra la polarización correcta de este diodo para que exista conducción, así como su símbolo, en la misma figura se muestra el diodo semiconductor para su comparación. El circuito equivalente del diodo incorpora una resistencia dinámica rz y una fuente Vz (véase figura 2.14(a). El diodo zener ideal (cuyo modelo no incluye rz) se muestra en 2.14(b), es posible hacer dicha aproximación si se considera que rz es muchas veces menor que la resistencia de carga. En la Tabla siguiente se muestran las características eléctricas del diodo zener, e

En la figura 2.15 se observa una gráfica de sus características de prueba, también en la figura 2.16 observan dos gráficas la parte (a) es referente al coeficiente de temperatura indicado en la última columna de la tabla anterior y definido por la ecuación 2.9, la parte (b) muestra la impedancia dinámica.

Figura 2.16 Características eléctricas de un diodo Zener 10 V, 500 mW Observación. El diodo Zener es un modelo especial de diodo de unión, que utiliza silicio, en el que la tensión en paralelo a la unión es independiente de la corriente que la atraviesa. Debido a esta característica, los diodos Zener se utilizan como reguladores de tensión.

PRUEBAS DE DIODOS El estado de un diodo (defectuoso o no) puede verificarse rápidamente mediante cada uno de los siguientes dispositivos: Un multímetro con función de verificación de diodos - Seleccione el símbolo del diodo en el multímetro - Conéctese a las terminales tal como se indica en la figura 2.17 - Si la conexión es correcta y el diodo no está defectuoso la pantalla del multímetro marcara el voltaje terminal del diodo tal como 0.67 V.

Figura 2.17 Verificación de un diodo en estado de polarización directa

 

Un ohmetro Realice las conexiones tal como se indican en la figura 2.18 (a) y (b) En la conexión (a) debe leerse una R muy baja y en la conexión (b) debe leerse una R muy alta, si esto es cierto, el diodo no está defectuoso.

Figura 2.18 Verific ación de un diodo mediante un ohmetro.

Un osciloscopio A través de este aparato es posible observar la forma real de la onda a la salida del diodo. * Refiérase al capítulo relativo al manejo del osciloscopio para iniciarse en el funcionamiento de este dispositivo.

LIMITADORES O RECORTADORES Un Limitador o Recortador es un circuito capaz de suprimir porciones positivas o negativas de una señal.

LIMITADOR POSITIVO Un limitador positivo recorta o limita la parte superior de una señal, Esto significa que recorta porciones de Tensión en los semiciclos positivos.

Figura 12 Limitador Positivo La figura 12 muestra un Limitador Positivo y el circuito funciona de la siguiente manera: El diodo es polarizado en directa durante los semiciclos positivos y en inversa durante los semiciclos negativos. Cuando el diodo esta polarizado en directa se produce un corto que ocasiona una caída de tensión en la resistencia R L que se aprecia como un recorte en el semiciclo positivo, Idealmente dicha caída debería recortar totalmente el semiciclo, en la practica el diodo no es ideal y el recorte termina en 0.7V.

LIMITADOR NEGATIVO Un limitador negativo recorta o limita la parte inferior de una señal, Esto significa que recorta porciones de Tensión en los semiciclos negativos.

Figura 13 Limitador Negativo La figura 13 muestra un Limitador Negativo y el circuito funciona de la siguiente manera: El diodo es polarizado en directa durante los semiciclos negativos y en inversa durante los semiciclos positivos. Cuando el diodo esta polarizado en directa se produce un corto que ocasiona una caída de tensión en la resistencia R L que se aprecia como un recorte en el semiciclo negativo, Idealmente dicha caída debería recortar totalmente el semiciclo, en la practica el diodo no es ideal y el recorte termina en −0.7V.

LIMITADORES POLARIZADOS El nivel del voltaje que se limita se puede ajustar añadiendo una fuente de tensión (VCC) en serie con el diodo.

a)

b) Figura 14 a) Limitador Positivo Polarizado b) Limitador Negativo Polarizado

De esta forma el circuito limitador recorta toda entrada de tensión por encima de: VCC + 0.7V ----- Limitador Positivo −VCC – 0.7V ----- Limitador Negativo Para que un limitador funcione correctamente se debe tener en cuenta la siguiente regla: 100RB < RS