Diodo + - V I

0ºK Introducción a la física de estado sólido: semiconductores Semiconductor intrínseco Si Si 0ºK Si Si: silicio Grupo IV de la tabla periódica

0ºK 300ºK Introducción a la física de estado sólido: semiconductores Semiconductor intrínseco Si Si 0ºK 300ºK + Si Electrón Hueco

Introducción a la física de estado sólido: semiconductores Semiconductor intrínseco : acción de un campo eléctrico + - Si Si + + Si Si Si Si

Introducción a la física de estado sólido: semiconductores Semiconductor intrínseco : acción de un campo eléctrico Conclusiones: La corriente en un semiconductor es debida a dos tipos de portadores de carga: HUECOS y ELECTRONES La temperatura afecta fuertemente a las propiedades eléctricas de los semiconductores: mayor temperatura  más portadores de carga  menor resistencia

Introducción a la física de estado sólido: semiconductores Semiconductor extrínseco : TIPO N Si Sb: antimonio Impurezas del grupo V de la tabla periódica Si Si Sb + Es necesaria muy poca energía para ionizar el átomo de Sb A temperatura ambiente todos los átomos de impurezas se encuentran ionizados

300ºK Introducción a la física de estado sólido: semiconductores Semiconductor extrínseco : TIPO N + Sb Impurezas grupo V 300ºK Electrones libres Átomos de impurezas ionizados Los portadores mayoritarios de carga en un semiconductor tipo N son electrones libres

Introducción a la física de estado sólido: semiconductores Semiconductor extrínseco : TIPO P Si Al: aluminio Impurezas del grupo III de la tabla periódica Si Si Si Si Al + - Es necesaria muy poca energía para ionizar el átomo de Al Si A temperatura ambiente todos los átomos de impurezas se encuentran ionizados

300ºK Introducción a la física de estado sólido: semiconductores Semiconductor extrínseco : TIPO P - Al Impurezas grupo III 300ºK Huecos libres Átomos de impurezas ionizados Los portadores mayoritarios 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 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.

N P La unión P-N La unión P-N polarizada inversamente + + + + - + + - - + - + - + + - + - - - + - + - + + + - - + La zona de transición se hace más grande. Con polarización inversa no hay circulación de corriente.

N P La unión P-N La unión P-N polarizada en directa + - - - + + + - - + + - + - + - + + - + - - - + - + + + + - - - + La zona de transición se hace más pequeña. La corriente comienza a circular a partir de un cierto umbral de voltaje directo.

N P La unión P-N La unión P-N polarizada en directa + + - + + - - - + + + - + - + + - + - - - + - + - + + + - - + Concentración de huecos Concentración de electrones La recombinación electrón-hueco hace que la concentración de electrones en la zona P disminuya al alejarse de la unión.

P N La unión P-N Conclusiones: Aplicando un voltaje inverso no hay conducción de corriente Al aplicar un voltaje en directo, en la unión es posible la circulación de corriente eléctrica P N DIODO SEMICONDUCTOR

Si juegan una carrera un diodo de silicio y uno de germanio ¿Quién gana?

INCISO: Representación del componentes eléctricos en diagrama V-I + - V I Abierto (R = ∞) + - V I Corto (R = 0) + - I V Resistencia (R) + - V I Batería I + - V Fuente Corriente

P N CARACTERÍSTICA DEL DIODO Idealmente, permite corriente directa (se comporta como un cable) y bloquea o no permite la corriente inversa (se comporta como un cable roto) + - V I I ¡¡ PRESENTA UN COMPORTAMIENTO NO LINEAL !! P N V ANÉCDOTA Un símil hidráulico podría ser una válvula anti-retorno, permite pasar el agua (corriente) en un único sentido.

Si Ge i [mA] V [Volt.] DIODO REAL p n ánodo cátodo A K Símbolo Silicio 1 0.25 -0.25 i [mA] 0.5 Ge Si p n ánodo cátodo A K Símbolo Silicio Germanio IS = Corriente Saturación Inversa K = Constante Boltzman VD = Voltaje en el diodo q = carga del electrón T = temperatura (ºK) ID = Corriente diodo

Si Ge Ge Si Si Ge DIODO REAL (Distintas escalas) i [mA] i [mA] Ge: mejor en conducción Si: mejor en bloqueo i [mA] 1 -4 30 i [mA] V [Volt.] Ge Si 1 Ge Si V [Volt.] -0.25 0.25 0.5 -0.8 -0.5 i [A] V [Volt.] -10 i [pA] Ge Si

DIODO: DISTINTAS APROXIMACIONES V Ideal I V Solo voltaje de umbral Ge = 0.3 Si = 0.6 I V I V Curva real (simuladores, análisis gráfico) Voltaje de umbral y Resistencia directa

DIODO: LIMITACIONES Corriente máxima Límite térmico, sección del conductor I Voltaje inverso máximo Ruptura de la Unión por avalancha V 600 V/6000 A 1000 V /1 A 200 V /60 A

DIODO: Parámetros facilitados por fabricantes Vd id iS VR IOmax VR = 1000V Voltaje inverso máximo IOMAX (AV)= 1A Corriente directa máxima VF = 1V Caída de voltaje directo IR = 50 nA Corriente inversa 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. VR = 100V Voltaje inverso máximo IOMAX (AV)= 150mA Corriente directa máxima VF = 1V Caída de voltaje directo IR = 25 nA Corriente inversa

i Tiempo de recuperación inversa DIODO: Parámetros facilitados por fabricantes Tiempo de recuperación inversa i Alta frecuencia Baja frecuencia trr = tiempo de recuperación inversa A alta frecuencia se aprecia un intervalo en el cual el diodo conduce corriente inversa.

N P La unión P-N: paso de conducción a bloqueo + + + + - - + + + - + - + - + + - + - - - + - + - + + + - - + Para que el diodo deje de conducir es necesario extraer los portadores minoritarios de las proximidades de la unión. El diodo conduce en sentido inverso durante un cierto tiempo: recuperación inversa.

DIODOS ESPECIALES Diodo Zener (Zener diode) La ruptura no es destructiva. (Ruptura Zener). En la zona Zener se comporta como una fuente de Voltaje (Voltaje Zener). Necesitamos, un límite de corriente inversa. Podemos añadir al modelo lineal la resistencia Zener. Aplicaciones en pequeñas fuentes de voltaje y referencias. I V Voltaje Zener (VZ) Límite máximo Normalmente, límite de potencia máxima

Diodo emisor de Luz = Light Emitter Diode 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 A K K

iopt i V i V T1 T2>T1 DIODOS ESPECIALES Fotodiodos (Photodiode) Los diodos basados en compuestos III-V, presentan una corriente de fugas proporcional a la luz incidente (siendo sensibles a una determinada longitud de onda). Estos fotodiodos se usan en el tercer cuadrante. Siendo su aplicaciones principales: Sensores de luz (fotómetros) Comunicaciones Fotodiodos (Photodiode) i V iopt COMENTARIO Los diodos normales presentan variaciones en la corriente de fugas proporcionales a la Temperatura y pueden ser usados como sensores térmicos i V T1 T2>T1 I = f(T) El modelo puede ser una fuente de corriente dependiente de la luz o de la temperatura según el caso

i VCA V iCC DIODOS ESPECIALES Células solares (Solar Cell) Cuando incide luz en una unión PN, la característica del diodo se desplaza hacia el 4º cuadrante. En este caso, el dispositivo puede usarse como generador. Células solares (Solar Cell) i VCA V Zona uso iCC

Diodo Schottky (Schottky diode) 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 voltajes de ruptura. Caídas directas mas bajas (voltaje de umbral  0.2 V). Aplicaciones en Electrónica Digital y en Electrónica de Potencia El efecto Schottky fue predicho teóricamente en 1938 por Walter H. Schottky

ASOCIACIÓN DE DIODOS Puente rectificador + - Monofásico Trifásico Diodo de alto voltaje (Diodos en serie) DISPLAY

Electrónica de potencia Se puede definir como las aplicaciones de la electrónica estado sólido para el control y la conversión de energía eléctrica. La electrónica de potencia se basa principalmente en la conmutación de dispositivos semiconductores.

Superdispositivo de potencia debería tener un voltaje cero de estado cerrado, resistir un voltaje infinito en estado abierto, manejar una corriente infinita, y tiempo cero de cerrado y abertura; es decir, una velocidad de infinita de conmutación.

Electrónica de potencia Aplicaciones

Electrónica de comunicaciones Electrónica Analógica Tipos de electrónica (I) Electrónica de comunicaciones Electrónica Analógica

Instrumentación Electrónica, Bioelectrónica... Tipos de electrónica (II) Electrónica Digital Instrumentación Electrónica, Bioelectrónica...

Electrónica de potencia  transformación de la energía eléctrica Circuito de Potencia Carga Fuente Primaria - Red - Baterías - Panelas solares - Generadores Eólicos - Etc. - Resistencia - Baterías - Lámparas - Motores - Etc. gobierno información Circuito de Control o mando

Tipos de conversión de la energía CA / CC CC / CC Rectificador Regulador de continua CA / CA CC / CA Cicloconvertidor Reg. alterna Inversor

Rangos de potencia según el tipo de aplicación Baja: <100W Alarmas Balastras Electrónicos (Fluorescentes) Fuentes de alimentación Herramientas Eléctricas. Media: 100W – 1kW Cargadores de Baterías Balastras Electrícos (HID) Secadores Reguladores de Velocidad Alta: 1kW – 100kW Hornos de Inducción Accionadores para Locomotoras Secadores Soldadura automática Muy Alta: 100kW – 100MW Reguladores de Tomas (Alta tensión) Inversores para generadores Inversores no autónomos para generadores

APLICACIONES DE DIODOS Detectores reflexión de objeto Detectores de barrera

APLICACIONES DE DIODOS Sensores de luz: Fotómetros Sensor de lluvia en vehículos Detectores de humo Turbidímetros Sensor de Color

COMENTARIOS SOBRE CIRCUITOS Los diodos (y el resto de dispositivos electrónicos) son dispositivos no lineales. ¡Cuidado, no se puede aplicar el principio de superposición! VE VS EJEMPLO TÍPICO: RECTIFICADOR + - ID VD t VS t

RECTA DE CARGA Y PUNTO DE FUNCIONAMIENTO + - ID VD VTH RTH CIRCUITO LINEAL I Característica del diodo ID Característica del circuito lineal (RECTA DE CARGA) PUNTO DE FUNCIONAMIENTO VD V

El germanio, por que es mejor conductor