Tema 1: Componentes Electrónicos ELECTRÓNICA Tema 1: Componentes Electrónicos El diodo Profesor: René Nova

Componentes electrónicos: El diodo Introducción: representación de componentes eléctricos en diagrama V-I Características eléctricas de un diodo semiconductor Característica real Linealización de la característica de un diodo Interpretación de los datos de un catálogo Diodos especiales Asociación de diodos Aplicaciones

Introducción: 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.

Funcionamiento de una válvula anti-retorno Caudal h2 h1 h1 - h2

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

300ºK Introducción a la física de estado sólido: semiconductores Semiconductor extrínseco : TIPO P - 300ºK Huecos libres 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 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 tensión directa.

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 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

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 = Cte. Boltzman VD = Tensión 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 tensión de codo Ge = 0.3 Si = 0.6 I V I V Curva real (simuladores, análisis gráfico) Tensión de codo y Resistencia directa

DIODO: LIMITACIONES Corriente máxima Límite térmico, sección del conductor I Tensión inversa máxima 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 Tensión inversa máxima IOMAX (AV)= 1A Corriente directa máxima VF = 1V Caída de Tensión directa 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 Tensión inversa máxima IOMAX (AV)= 150mA Corriente directa máxima VF = 1V Caída de Tensión directa IR = 25 nA Corriente inversa

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

DIODOS ESPECIALES Diodo Zener (Zener diode) La ruptura no es destructiva. (Ruptura Zener). En la zona Zener se comporta como una fuente de tensión (Tensión Zener). Necesitamos, un límite de corriente inversa. Podemos añadir al modelo lineal la resistencia Zener. Aplicaciones en pequeñas fuentes de tensión y referencias. I V Tensión 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 tensiones de ruptura. Caídas directas mas bajas (tensión de codo  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 alta tensión (Diodos en serie) DISPLAY

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