UNIDAD III :

EL DIODO

ELECTRICIDAD - ELECTRONICA

Semestre 2015-1

INGENIERIA INDUSTRIAL

ING. LUIS MENDOZA QUISPE

3.1 INTRODUCCION

Un diodo (del griego "dos caminos") es un

dispositivo semiconductor que permite el paso de la

corriente elctrica en una nica direccin con

caractersticas similares a un interruptor. De forma

simplificada, la curva caracterstica de un diodo

(I-V) consta de dos regiones: por debajo de cierta

diferencia de potencial, se comporta como un

circuito abierto (no conduce), y por encima de ella

como un corto circuito con muy pequea resistencia

elctrica.

3.1 INTRODUCCION Los primeros diodos eran vlvulas grandes en chips o tubos de vaco, tambin llamadas vlvulas termoinicas constituidas por dos electrodos rodeados de vaco en un tubo de cristal, con un aspecto similar al de las lmparas incandescentes. El invento fue realizado en 1904 por John Ambrose Fleming, de la empresa Marconi, basndose en observaciones realizadas por Thomas Alva Edison.- Al igual que las lmparas incandescentes, los tubos de vaco tienen un filamento (el ctodo) a travs del que circula la corriente, calentndolo por efecto Joule.

3.1 INTRODUCCION Los diodos PN, son uniones de dos materiales semiconductores extrnsecos tipos p y n, por lo que tambin reciben la denominacin de unin pn. Se tiene que destacar que ninguno de los dos cristales por separado tiene carga elctrica, ya que en cada cristal, el nmero de electrones y protones es el mismo, de lo que podemos decir que los dos cristales, tanto el p como el n, son neutros. (Su carga neta es 0).

Diodos

Condensadores

Corriente alterna Corriente continua Rectificador

3.2 Diodo: Aplicaciones

Diodos especiales: Diodo LED

Se encierran en una cpsula que permita que la radiacin luminosa en forma de fotones salga al exterior.

La curva caracterstica de un diodo L.E.D. es similar a la de cualquier diodo, a diferencia de que el voltaje de codo es mucho mayor, del orden de 1,5 a 2,5 V con corrientes entre 10 y 50 mA

3.2 Diodo: Aplicaciones

Semiconductor extrnseco 3.3 Unin P-N

Se provoca un exceso de electrones o un exceso de huecos introduciendo nuevos tomos de otros elementos (dopaje).

En ellos introduzco tomos de Fsforo ( P ), Arsnico ( As ) o Antimonio ( Sb ).

Se introducen tomos de Boro ( B ), Galio ( Ga ) o Indio ( In ).

Portadores

mayoritarios

Portadores

minoritarios

Iones

donadores

Portadores

mayoritarios

Portadores

minoritarios

Iones

aceptores

TIPO n TIPO p

Regin de

agotamiento

Tipo p Tipo n

3.5 Unin P-N

p n

p n

p n

Sin polarizacin

Polarizacin inversa

Polarizacin directa

3.5 Unin P-N

Representacin de componentes elctricos en diagrama V-I

Caractersticas elctricas de un diodo semiconductor

Caracterstica real

Linealizacin de la caracterstica de un diodo

Interpretacin de los datos de un catlogo

Diodos especiales

Asociacin de diodos

Aplicaciones

Diodo 3.4 Unin P-N

Diodo 3.4 Unin P-N

Ctodo

nodo

nodo Ctodo

+

-

V

I

P

N

I

V

CARACTERSTICA 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)

PRESENTA UN COMPORTAMIENTO NO LINEAL !!

ANCDOTA Un smil hidrulico podra ser una vlvula anti-retorno, permite pasar el agua (corriente) en un nico sentido.

h1 h2

h1 - h2

Caudal

Funcionamiento de una vlvula anti-retorno

Introduccin a la fsica de estado slido: semiconductores

Semiconductor extrnseco : TIPO N

Impurezas grupo V

300K

Electrones libres tomos de impurezas ionizados

Los portadores de carga en un semiconductor tipo N son electrones libres

+

+

+ +

+

+

+ +

+

+

+

+

+

+

+

+

Semiconductor extrnseco : TIPO P

300K

Huecos libres tomos de impurezas ionizados

Los portadores de carga en un semiconductor tipo P son huecos. Actan como portadores de carga positiva.

-

-

- -

-

-

- -

-

-

-

-

-

-

- -

La unin P-N

La unin P-N en equilibrio

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

- - +

+

+ + + +

+

+

+ +

+

+

+

+

+ +

Semiconductor tipo P Semiconductor tipo N

La unin P-N

La unin P-N en equilibrio

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+ +

+

+ +

+

+

+

+

+ +

Semiconductor tipo P Semiconductor tipo N

-

-

- - +

+

+ +

+

+ -

Zona de transicin

Al unir un semiconductor tipo P con uno de tipo N aparece una zona de carga espacial denominada zona de transicin. Que acta como una barrera para el paso de los portadores mayoritarios de cada zona.

La unin P-N

La unin P-N polarizada inversamente

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

+ +

+

+ +

-

-

- - +

+

+ +

+

-

- -

-

+

+

+

+

+

La zona de transicin se hace ms grande. Con polarizacin inversa no hay circulacin de corriente.

P N

La unin P-N

La unin P-N polarizada en directa

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

+ +

+

+ +

-

-

- - +

+

+ + -

- -

-

+

+

+

+

+

La zona de transicin se hace ms pequea. La corriente comienza a circular a partir de un cierto umbral de tensin directa.

P N

+

La unin P-N

La unin P-N polarizada en directa

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

+ +

+

+ +

-

-

- - +

+

+ + -

- -

-

+

+

+

+

+

La recombinacin electrn-hueco hace que la concentracin de electrones en la zona P disminuya al alejarse de la unin.

P N

+ Concentracin de huecos Concentracin de electrones

La unin P-N

Conclusiones:

Aplicando tensin inversa no hay conduccin de corriente

Al aplicar tensin directa en la unin es posible la circulacin de corriente elctrica

P N

DIODO SEMICONDUCTOR

p n

nodo ctodo

A K

Smbolo

IS = Corriente Saturacin Inversa K = Cte. Boltzman VD = Tensin diodo q = carga del electrn T = temperatura (K) ID = Corriente diodo

Silicio Germanio

DIODO REAL

1TKqV

SD

D

eII

V [Volt.]

0

1

0.3 -0.25

i [mA]

0.7

Ge Si

V [Volt.]

0

1

0.3 -0.25

i [mA]

0.7

Ge Si

0 1 -4

30

i [mA]

V [Volt.]

Ge

Si

DIODO REAL (Distintas escalas)

-0.8

-0.5 0

i [A]

V [Volt.]

-10

-0.5 0

i [pA]

V [Volt.]

Ge Si

Ge: mejor en conduccin Si: mejor en bloqueo

DIODO: DISTINTAS APROXIMACIONES

I

V

Solo tensin de codo Ge = 0.3 Si = 0.6

I

V

Tensin de codo y Resistencia directa

I

V

Ideal

I

V

Curva real (simuladores, anlisis grfico)

DIODO: LIMITACIONES

I

V

Corriente mxima Lmite trmico, seccin del conductor

Tensin inversa mxima Ruptura de la Unin por avalancha

600 V/6000 A 200 V /60 A

1000 V /1 A

VR = 1000V Tensin inversa mxima IOMAX (AV)= 1A Corriente directa mxima VF = 1V Cada de Tensin directa IR = 50 nA Corriente inversa

VR = 100V Tensin inversa mxima IOMAX (AV)= 150mA Corriente directa mxima VF = 1V Cada de Tensin directa IR = 25 nA Corriente inversa

DIODO: Parmetros facilitados por fabricantes

Vd

id

iS

VR

IOmax

NOTA: Se sugiere con un buscador obtener las hojas de caractersticas de un diodo (p.e. 1N4007). Normalmente aparecern varios fabricantes para el mismo componente.

DIODO: Parmetros facilitados por fabricantes

Tiempo de recuperacin inversa

+

UE R

iSUE

Baja frecuencia

iS

Alta frecuencia

iS

trr = tiempo de recuperacin 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 tensin (Tensin Zener). Necesitamos, un lmite de corriente inversa. Podemos aadir al modelo lineal la resistencia Zener. Aplicaciones en pequeas fuentes de tensin y referencias.

I

V

Tensin Zener (VZ)

Lmite mximo Normalmente, lmite de potencia mxima

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 unin PN polarizada directamente emiten fotones (luz) de una cierta longitud de onda. (p.e. Luz roja)

A K A K

DIODOS ESPECIALES

Fotodiodos (Photodiode)

0

i

V

iopt

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 (fotmetros) Comunicaciones

COMENTARIO Los diodos normales presentan variaciones en la corriente de fugas proporcionales a la Temperatura y pueden ser usados como sensores trmicos

i

0

V

T1

T2>T1

El modelo puede ser una fuente de corriente dependiente de la luz o de la temperatura segn el caso

I = f(T)

DIODOS ESPECIALES

Clulas solares (Solar Cell)

i

V VCA

iCC

Cuando incide luz en una unin PN, la caracterstica del diodo se desplaza hacia el 4 cuadrante. En este caso, el dispositivo puede usarse como generador.

Paneles de clulas

solares

Zona uso

DIODOS ESPECIALES

Diodo Schottky (Schottky diode)

Unin Metal-semiconductor N. Producindose el llamado efecto schottky. La zona N debe estar poco dopada. Dispositivos muy rpidos (capacidades asociadas muy bajas). Corriente de fugas significativamente mayor. Menores tensiones de ruptura. Cadas directas mas bajas (tensin de codo 0.2 V). Aplicaciones en Electrnica Digital y en Electrnica de Potencia

El efecto Schottky fue predicho tericamente en 1938 por Walter H. Schottky

ASOCIACIN DE DIODOS

DISPLAY

Diodo de alta tensin (Diodos en serie)

Puente rectificador

+

-

+

-

Monofsico

Trifsico

APLICACIONES DE DIODOS

Detectores reflexin de objeto

Detectores de barrera

APLICACIONES DE DIODOS

Sensores de luz: Fotmetros Sensor de lluvia en vehculos Detectores de humo Turbidmetros Sensor de Color

LED

Fotodetector

LED azul

LED verde

LED rojo Fotodiodo

Objetivo

LED

COMENTARIOS SOBRE CIRCUITOS

Los diodos (y el resto de dispositivos electrnicos) son dispositivos no lineales. Cuidado, no se puede aplicar el principio de superposicin!

VE VS

VE

R

VMAX

MAXV

EJEMPLO TPICO: RECTIFICADOR

+

-

ID

VD

VE

t

t

VS

t

TH

TH

R

V

THV

Caracterstica del diodo

Caracterstica del circuito lineal (RECTA DE CARGA)

PUNTO DE FUNCIONAMIENTO

I

V

RECTA DE CARGA Y PUNTO DE FUNCIONAMIENTO

+

-

ID

VD VTH

RTH

CIRCUITO LINEAL

ID

VD

Modelado de diodos

Modelo Ideal:

Modelo Simplificado:

Modelo de segmentos lneales:

VD

ID

VD

ID

VT

VD

ID

VT

rav

VT

VT rav

Ejemplos

Anlisis de circuitos con diodos

Con fuentes de cd.

-Determine el estado del diodo

-Sustituya el equivalente adecuado

-Determine los parmetros restantes de la red.

E

R3

E

R3

Determine VD,, VR, ID.

Ambos casos

E=8V, 0.5

R3=2.2k, 1.2k

12VGeSi

5.6k

VR, IR

12VSi

5.6k

Si

VD1 , VD2, ID, VR.

10V

5V

2.2K

Si

4.7K

12

10V

12

Si

330

Si

+

V0

-

VD, ID, V0.

+

V0

-

ID1, ID2, IR, V0.

12

12

12VSi2.2K

Ge

VR.

SiSi

3.3K

5.6K

20V

IR1, IR2,

APLICACIONES Rectificadores: Su principal uso es en sistemas electrnicos encargados de realizar una conversin de potencia de AC, en potencia de dC.

DE MEDIA ONDA:

V1

D21 2

1k

0

120 1k

12

Time

0s 1ms 2ms 3ms 4ms 5ms 6ms 7ms 8ms 9ms 10ms

V(D1:2)

-20V

0V

20V

SEL>>

V1(V2)

-20V

0V

20V

Time

0s 1ms 2ms 3ms 4ms 5ms 6ms 7ms 8ms 9ms 10ms

V(R1:1)

-20V

0V

20V

SEL>>

V1(V2)

-20V

0V

20V

T11 5

6

4 8

Si

Si

R

CON TRANSFORMADORES:

DE ONDA COMPLETA:

1k1

2 12

12 1

2

RECORTADORES:

Tienen la capacidad de recortar una porcin de la seal de entrada sin distorisionar la parte restante de la forma de onda alterna.

SERIE:

1k

D2

5V

4V

1k

SUJETADORES O CAMBIADORES DE NIVEL:

C1

C1

V1

5V

DETECTORES DE SEAL:

2

1

C1

1

2

+

Vin

-

+

Vout

-

El smbolo y el comportamiento de un diodo Zener son los

que se muestran en el siguiente esquema:

El diodo Zener

encendido apagado(Vz > V > 0V)

+

Vz

+

Vz +

V

El diodo estar encendido cuando est polarizado

inversamente a un diodo normal, y cuando el voltaje sea

superior a Vz. Para que esto suceda, es necesario que la

corriente est en la zona indicada a continuacin:

La siguiente representa la curva caracterstica de un diodo

Zener:

Vz

Izmn

Izmx

ID

VD Zona de trabajo

del diodo Zener

Zona de ruptura

del diodo Zener

El diodo Zener

El diodo Zener se utiliza para mantener un voltaje de

referencia constante, mientras que la corriente que circula a

travs suyo est comprendida entre Izmn e Izmx.

Vz

RS

Ve Iz

+

El valor de RS para que el regulador

trabaje adecuadamente (sin carga)

ser:

mn

mxZ

zeS I

VVR

donde RSmn RS RSmx.

mx

mnZ

zeS I

VVR

MXIMO MNIMO

El diodo Zener

La situacin ms comn es que el circuito opere con carga, tal

como se muestra a continuacin:

Las condiciones de carga

pueden variar. El diodo

Zener debe mantener sus

condiciones de regulacin,

independiente de la carga.

Vz

RS

Ve Iz

+

RC I IC

El diodo Zener

Reguladores de voltaje:

El objetivo de este circuito es mantener un voltaje de salida constante sobre un rango de resistencia de carga. El resistor en serie con la fuente se selecciona para que una cada de voltaje apropiada aparezca cuando la resistencia de carga est en su valor mnimo. El diodo debe ser capaz de disipar una gran cantidad de potencia cuando la resistencia de carga est en su valor mximo.

0

Vi

1k

1k-

+

Vz

Pzm

1.- Determinar el estado del diodo zener

mediante la eliminacin de la red y

calculando el voltaje atravs del circuito

abierto resultante.

Vz VzVz

2.- sustituir el circuito equivalente adecuado y resolverlo para las

incongnitas deseadas.

V = VL=RLVi/R + RL

VL=Vz Iz= IR + IL Pz= Vz IL