Tema 1 Tema 1a: Diodes Semiconductors. Principi físic de la unió PN.

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1 Tema 1 Tema 1a: Diodes Semiconductors. Principi físic de la unió PN.
Característica Corrent-Tensió, I(V). Model dinàmic del diode. Circuits amb diodes: Font d'alimentació. Parts d’una font d'alimentació. Rectificadors de mitja ona i ona complerta. Altres aplicacions. Exercicis. Bibliografia [1] Boylestad, Nashelsky. Electrónica: teoría de circuitos y dispositivos electrónicos (Octava edición-2003), Pearson/Prentice Hall [2] Prat, L. Circuits i Dispositius electrònics. Fonaments d’electrònica (2001), Edicions UPC y Alfaomega Grupo Editor [3] Rashid, M. H. Electrónica de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones (3ª ed), Prentice Hall, 2004.

2 Electrones en la última capa
SEMICONDUCTORES Estructura cristalina del Si intrínseco. Enlaces covalentes. Elemento Grupo Electrones en la última capa Cd II A 2 e- Al, Ga, B, In III A 3 e- Si, Ge IV A 4 e- P, As, Sb V A 5 e- Se, Te, (S) VI A 6 e- En un semiconductor intrínseco: n: número de electrones de conducción por centímetro cúbico p: número de huecos por centímetro cúbico ni: Concentración Intrínseca :::: En el Si la energía del GAP es 1,1 eV

3 Semiconductores extrínsecos.
Un semiconductor extrínseco es un monocristal al que se le han añadido impurezas, entonces se dice que está dopado. Donadoras (Si con átomos Pentavalentes (P)) Semiconductor extrínseco, tipo N Impurezas Aceptadoras (Si con átomos Trivalentes (B)) Semiconductor extrínseco, tipo P Se cumple la propiedad que se conoce como ley de acción de masas.::::: Mecanismos de conducción eléctrica: por difusión (diffusion) - por deriva (drift)

4 Principio físico de la unión PN.
a) Iones y portadores en el semiconductor (los iones están representados por círculos). b) Concentración de iones. c) Concentración de portadores. d) Densidad de carga (aproximación rectangular). e) Campo eléctrico. f) Potencial interno: formación de una barrera de potencial entre las regiones N y P ..aparece, por tanto, un dipolo de carga entre los dos lados de la unión que, para simplificar los cálculos, lo supondremos de forma rectangular. Cuando este equilibrio se alcanza, aparece la región de carga espacial o región de transición donde no hay cargas libres y aparece una diferencia de potencial entre la región N y la P (en equilibrio térmico) denominada potencial de difusión, Vbi :

5 En una unión P-N polarizada directamente domina la corriente de difusión sobre la de arrastre o deriva. Fuerte inyección de huecos desde la región P hacia la región N, y otra intensa inyección de electrones desde N hacía P. Cuando se polariza inversamente la unión aumenta el campo eléctrico en la región de transición. No va acompañado de un aumento de la corriente en el sentido de N a P, ya que no hay portadores a los que arrastrar. El campo eléctrico se limita a impedir la difusión de mayoritarios (huecos de P a N y electrones de N a P), y la corriente sigue siendo nula como en equilibrio. De ahí el efecto rectificador de la unión PN.

6 Modelo más real del diodo >>> Modelo exponencial
Ecuación del diodo a) b) a) Característica ID versus VD del diodo real b) considerando que Vz toma un valor tan negativo que nunca se alcanza, puede aproximarse de una forma analítica, que se denominará modelo exponencial del diodo Is: corriente inversa de saturación del diodo, :factor de idealidad (1) VT tensión térmica, aprox. 25mV

7 Modelo dinámico del Diodo.
Diodo más Real >>Efecto capacitivo Una consecuencia de la variación del campo eléctrico en la unión, cuando se aplica una tensión de polarización, es la variación del espesor de la región de transición. Se forma una estructura capacitiva (condensador o capacidad). En polarización directa suele dominar Cs (capacidad de difusión), debido a su comportamiento exponencial, mientras que en inversa domina Cj (capacidad de transición).

8 rd V iD Þ Pérdidas en diodos Son de dos tipos: Pérdidas estáticas
- Estáticas en conducción (en bloqueo son despreciables) - Dinámicas Pérdidas estáticas iD Forma de onda frecuente V rd ideal iD Potencia instantánea perdida en conducción: pDcond (t) = vD (t)·iD (t) = (V + rd · iD(t)) · iD(t) Potencia media: Þ PDcond = V·IM + rd · Ief2 IM : Valor medio de iD(t) Ief : Valor eficaz de iD(t)

9 Circuitos con diodos: Fuente de alimentación
Aplicaciones del diodo rectificador Conversión de tensión alterna a tensión continua: Fuente de alimentación Detector de envolvente Circuitos recortadores y circuitos fijadores de nivel Aproximación de funciones con diodos El diodo como elemento de protección Aplicaciones del diodo Zener Estabilizador de tensión con diodos Zener

10 Circuito rectificador de media onda (IDEAL)
a) Circuito rectificador de media onda. b) Señal aplicada al circuito. c) Circuito equivalente para los semiciclos positivos. d) Idem para los negativos

11 Circuito rectificador de media onda (más REAL)
V rd iD a) Estructura física del diodo de unión PN. b) Símbolo del diodo real. c) Circuito equivalente. d) Característica corriente-tensión en continua (fuente dependiente). e) Dependencia de CD con la tensión

12 Conversión de tensión alterna a tensión continua: Fuente de alimentación
Esquema de una fuente de alimentación Rectificador de media onda Rizado: con (t3-t2)>>(t2-t1) a) Circuito rectificador de media onda seguido de filtro de condensador. b) Tensión de salida. c) Corriente por el diodo

13 Rectificador de onda completa
Esquema de una fuente de alimentación con rectificación de onda completa Rizado Rectificador de onda completa filtro Con transformador de toma intermedia. Con puente de diodos

14 Aplicaciones del diodo Zener:
Regulador lineal de tensión o Estabilizador de tensión. Estabilizador de tensión con diodo zener Se toma la salida entre terminales del zener, y se diseña el circuito para que este diodo siempre opere en la región de ruptura. Los cambios en la carga o en el generador provocarán variaciones en la corriente por el diodo pero siempre dentro de la región de ruptura.

15 Como en la región de ruptura la característica es casi vertical, aunque haya grandes variaciones en la corriente, la variación de tensión en terminales del zener será pequeña.

16 Análisis del Circuito:
Diseño: Escoger adecuadamente la Rs de polarización: gráficamente

17 Ejercicio: En un circuito regulador de tensión como el mostrado en la figura encontrar la resistencia de polarización Rs teniendo en cuenta los datos que se dan:

18 Circuitos recortadores y circuitos fijadores de nivel
Los circuitos recortadores, también denominados limitadores de amplitud, se utilizan para eliminar la parte de la señal que se encuentra por encima, o por debajo, de un cierto nivel de referencia. Circuitos recortadores. a) Con diodos y fuentes de tensión. b) Con diodos zener. c) Forma de onda de salida. Para el circuito a) Para el circuito b)

19 El diodo como elemento de protección
La máxima tensión que se puede aplicar a la entrada de muchos CI está limitada a unos pocos voltios. Por tanto, hay que limitar la tensión máxima en la entrada del circuito. Una forma de conseguirlo es colocando en su entrada un recortador de tensión

20 El diodo como elemento de protección
Otra aplicación del diodo como elemento de protección es frecuente en circuitos con cargas inductivas Si no existiera el diodo, al abrirse el interruptor se generaría una tensión muy elevada y negativa en bornes de la bobina, puesto que: que provocaría un arco voltaico entre los terminales del interruptor para mantener la corriente a través de ella. La repetición de esta chispa acabaría dañando el interruptor. El diodo como elemento de protección en circuitos inductivos El diodo se conecta para proteger al interruptor.

21 Ejercicio: En la figura 1 se muestra un circuito con un diodo. Si la curva característica ideal del diodo es la que se muestra en la figura 2 hallar el punto de trabajo Q del diodo, es decir la tensión VD y la corriente ID cuando está en reposo. Circuito equivalente utilizando Thevenin

22 Ejercicio: En la figura 1 se muestra un circuito limitador con diodos. Si la curva característica ideal del diodo es la que se muestra en la figura 2 dibujar la forma de onda en Vo (t) indicando las tensiones relevantes.

23 Ejercicio: Encontrar la función de transferencia Vo(t)=f(Vi(t) del circuito con diodo que se observa con el modelo ideal del diodo que se propone. El circuito con el modelo del diodo propuesto quedaría: