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Tema 2. Circuitos con Diodos. rev4

TEMA 2 CIRCUITOS CON DIODOS

Profesores: Germán Villalba Madrid Miguel A. Zamora Izquierdo Departamento de Ingeniería de la Información y Comunicaciones Universidad de Murcia

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Tema 2. Circuitos con Diodos. rev4

CONTENIDO • • • • •

Introducción Conceptos básicos de semiconductores. Unión pn. Diodo real. Ecuación del diodo. Recta de carga. Diodos zener. Modelos del diodo – Modelo del diodo ideal. – Modelo completo del diodo. – Modelo del diodo zener.

• Otros tipos de diodos. • Circuitos con diodos – – – –

Rectificadores. Filtrado. Circuitos recortadores. Circuitos fijadores. Circuitos lógicos con diodos.

• Estabilizadores de tensión zener. • Conmutación y comportamiento en alta frecuencia. Capacidades. Departamento de Ingeniería de la Información y Comunicaciones Universidad de Murcia

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INTRODUCCION • El diodo es el dispositivo electrónico más simple. Es un semiconductor de dos terminales (Ánodo y Cátodo) que ofrece una baja resistencia del orden de los mΩ en una polarización y del orden de los GΩ en la otra. Esto lo convierte en un componente adecuado como rectificador. • El diodo exhibe una relación no lineal entre la tensión entre sus terminales y la corriente que circula por él. En el análisis de circuitos con diodos, se pueden realizar algunas aproximaciones que faciliten la resolución del sistema. • Se estudian también algunos diodos de uso especial, como son los zener, LED, fotodiodos y Schottky. • Los diodos permiten desarrollar circuitos con distintas aplicaciones, destacando la rectificación, en cualquiera de sus variantes.

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CONCEPTOS BASICOS DE SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS • Materiales válidos para la fabricación de dispositivos electrónicos de estado sólido: silicio, germanio y arseniuro de galio. • Semiconductor Intrínseco (puro) – Cada par de átomos forma un enlace covalente con cada uno de los cuatro átomos cercanos (disposición tetraédrica). Electrones de la capa de valencia (grupo 4). – A 0º K, no existen electrones libres. – A 300º K, los electrones libres permiten flujo de una corriente si se aplica una ddp. (Tiene mayor R que un conductor eléctrico). – Concentración de huecos (np) igual a concentración de electrones libres (ni) en un material puro. – Ambos tipos de portadores contribuyen al flujo de corriente. – Generación: a mayor temperatura, mayor velocidad de generación de electrones libres y huecos (energía térmica). – Recombinación: el hueco y el electrón libre se combinan formando un enlace covalente. – La conductividad de un semiconductor intrínseco aumenta con la Tª. Departamento de Ingeniería de la Información y Comunicaciones Universidad de Murcia

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CONCEPTOS BASICOS DE SEMICONDUCTORES EXTRINSECOS •

Semiconductor Extrínseco (impurificado) – Tipo N: impurezas donantes de electrones. Portadores mayoritarios (electrones); Portadores minoritarios (huecos). n = p + ND • n concentración de electrones. • p concentración de huecos • Nd concentración átomos donantes.

– Tipo P: impurezas aceptadoras de electrones (aportan huecos). Portadores mayoritarios (huecos); Minoritarios (electrones). • Na concentración átomos aceptadores

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NA + n = p

Ley de acción de masas: en un tipo n, el valor de p se reduce (mayor probabilidad de recombinación). Se cumple que el producto de la concentración de huecos por la de electrones libres es constante a una temperatura dada: – En el material intrínseco:

pn = pi ni ⇒ pn = ni2 pi = ni

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UNION pn NO POLARIZADA • •

Una unión pn consiste en un único cristal semiconductor al cual se le han añadido impurezas de manera que se obtiene un zona p y otra n. Si estuviera formado por dos cristales independientes, antes de conformar físicamente la unión, se tendría una distribución de portadores según se indica en la figura.

• El elevado gradiente de concentración hueco-electrón a lo largo de la unión, inicia un proceso de difusión, creando una zona de carga espacial en la zona de unión.

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DIFUSION PORTADORES EN UNION NO POLARIZADA La zona de carga espacial surge por la difusión de portadores mayoritarios desde las zonas de mayor a menor concentración. El efecto principal del campo eléctrico de la zona de carga espacial es una barrera de potencial que impide la circulación de electrones.

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UNION PN EN POLARIZACION INVERSA •

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Un diodo está inversamente polarizado, si la tensión aplicada aumenta la zona de carga espacial. • Los portadores mayoritarios son atraídos por cada uno de los terminales del generador. • Si la tensión externa inversa es mayor de unas décimas de voltio, la corriente de los portadores mayoritarios se reduce casi a cero. Así, la corriente inversa estará formada por los portadores minoritarios, que al ser muy pocos, da lugar a una corriente pequeña, e independiente del valor de la tensión inversa aplicada. Sin embargo, al depender la concentración de los portadores minoritarios de la generación térmica, a medida que aumente ésta, también aumentará el valor de la corriente inversa. Si la tensión inversa es suficientemente alta, el campo eléctrico es capaz de romper los enlaces covalentes, lo que produce una gran cantidad de pares hueco-electrón, y por tanto, un gran flujo de corriente inversa. Departamento de Ingeniería de la Información y Comunicaciones Universidad de Murcia

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UNION PN EN POLARIZACION DIRECTA

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La corriente total corresponde a la suma de la corriente debida a los huecos, y la debida a los electrones. A mayor distancia en cada una de las zonas desde la unión, la corriente predominante corresponde a los huecos en la zona p, y a los electrones en la zona n. Departamento de Ingeniería de la Información y Comunicaciones Universidad de Murcia

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DIODO REAL - CARACTERISTICAS •

Característica del diodo. – Posee dos terminales (Ánodo y Cátodo). – Polarización DIRECTA: • Si Vd es > 0 voltios.

– Polarización INVERSA: • Si Vd < 0 voltios.

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En Directa la corriente fluye con facilidad. En Inversa, al alcanzar la región de ruptura o zona de avalancha, el flujo de corriente es elevado siempre y cuando no se exceda la potencia máxima de disipación. Designación características: – – – –

Vr: tensión inversa. If(av): corriente media directa. If(rms): corriente eficaz directa Vf: caída de tensión directa.

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DIODO REAL – ECUACION DEL DIODO v D / nVT i = I ( e − 1) • La ecuación del diodo (ecuación de Shockley) es: D S

• Donde: – La tensión térmica es – Is es la corriente de saturación inversa. – n es el coeficiente de emisión entre 1 y 2.

VT = k T / q

• En la región de polarización directa, los diodos de Si de pequeña señal conducen muy poca corriente (menos de 1 mA) hasta que se aplica una tensión de 0,6 a 0,7 voltios (a temperatura ambiente). • A partir de dicha tensión (Vumbral), la corriente incrementa rápidamente a pequeños aumentos de tensión. • La respuesta del diodo de Si a variaciones de temperatura es de aproximadamente -2 mV/ºK. • En la región inversa la corriente es aproximadamente de 1 nA. Si T aumenta, también aumenta la I. • En la zona de ruptura, la corriente aumenta rápidamente. Existen diodos especiales para trabajar en dicha zona (diodos Zener). Departamento de Ingeniería de la Información y Comunicaciones Universidad de Murcia

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DIODO REAL – RECTA DE CARGA •

Aplicando la 2ª Ley de Kirchhoff: VSS = RiD + vD

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Conocido el valor de Vss, R y la curva característica del diodo, se puede obtener el punto de trabajo del circuito. La recta de carga se obtiene a partir de los puntos de corte de la ecuación obtenida con los ejes coordenados:

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Fig. .- Polarización diodo.

– Si id = 0 -> Vd = Vss; (pto A) – Si Vd = 0 -> id = Vss / R; (pto B)

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Uniendo los dos puntos A y B, se obtiene la recta de carga. El punto de trabajo es la intersección entre la característica del diodo y la recta de carga. Departamento de Ingeniería de la Información y Comunicaciones Universidad de Murcia

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RESISTENCIA DINAMICA DEL DIODO • En la zona de polarización positiva, antes de Vumbral la pendiente de la recta que se aproxima a la característica tiende a cero (conductancia); por tanto, su resistencia será elevada. Si se sobrepasa la Vu, la pendiente es muy grande, y por tanto, la resistencia reducida. Así, la pendiente de la curva se modifica según sea el punto Q en el que se encuentre el diodo. • Suponiendo que la tensión continua de alimentación hace que el diodo trabaje en un punto de reposo, punto Q, y superponiendo una pequeña señal alterna, su comportamiento se aproximará al de una −1 resistencia según:  di   r d =  D    dvD  Q 

vD

diD I = S e nVT dvD nVT

como e

vD nVT

=

iD +1 IS

sustituyendo y sup oniendo I S