Semiconductores Diodos

 

Ing. Christian Lezama Cuellar

 

1.

Conducción en los materiales 



Diodo Diod o se semi mico cond nduc ucto tor: r: Comp Co mpon onen ente te el elec ectr trón ónic ico o formado po r la unión de dos materiales semico sem icondu nducto ctores res con dis distin tintos tos tip tipos os de imp impure urezas zas.. Modelo de bandas de energía:

 

Materiales por el ancho de banda prohibida): 





Aislante:: Anchura del orden de varios eV (aprox. 6 eV). Aislante Semiconductor: Anchura relativamente pequeña (apr (a prox ox.1 .1eV eV). ). Aisl Aislan ante te a ba baja jas s temp temper erat atur uras as y con con su aumento aume nto alg algunos unos ele electro ctrones nes obt obtien ienen en ene energía rgía tér térmica mica para superar la banda prohibida. Usuales los del grupo IV de la T.P: Silicio (1.21a 0ºK), Germanio German io (0.785 a 0ºK).

Metal: Ba Metal: Band ndas as de vale valenc ncia ia y cond conduc ucci ción ón sola solapa pada das s a temp te mper erat atur ura a amb ambie ient nte e de mo modo do que lo los s el ele ect ctro rone nes s circulan libremente.

 

Algo sobre la estructura de los semiconductores Semiconductores más comunes La capacidad de compartir o aceptar 4 electrones es una característica caracterís tica común en ellos

Todos tienen una brecha indirecta, eso los hace pobres para posibles aplicaciones ópticas. Compuesto

Este tipo de compuesto tienen la cualidad de tener una brecha directa. Esto lo hace apto para aplicaciones ópticas como foto diodos y láseres.

 

2. Conducción en los materiales mat eriales semiconductores 

  Comportamiento del Germa Germanio: nio: 



  Representación plana del Germanio a 0ºK

  Situación del Germanio a 300ºK

 

3. Materiales semiconductores Tipos de semiconductores: ◦

◦

  puros. Semi Semico cond nduc ucto tore res s

in intr trín ínse seco cos: s:

Semi Semico cond nduc ucto tore res s

  Semi Semico cond nduc ucto tore res s extr extrín ínse seco cos: s: Se Semi mico cond nduc ucto tore res s dopados (añadidos átomos de impurezas a un intrínseco). Tipos: 



Tipo n: Se le añaden (electrones). Ej: Sb al Ge Ge..

impurezas

donadoras

Tipo p: Se le añaden impurezas receptoras (huecos). Ej: Al al Ge

 

Comportamiento:

 

+ + +

+

+

+

+

+ +

+ +

Electrones libres

+ +

+

Impurezas grupo V +

+

300ºK

Átomos de impurezas ionizados

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

 

-

-

Huecos libres

-

-

-

-

-

-

-

-

-

300ºK -

-

 Átomos de impurezas ionizados

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

 A c túan c omo por porta tador dores es de c ar g a pos i tiv tiva a.

 

La unión P-N en equilibrio -

-

-

-

-

-

-

-

+

+

+

-

+

+

-

-

+

+

-

Semiconductor tipo P

+

+ +

+

+

+

+

+

Semiconductor tipo 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 espacia iall denomin inaada   “zona de   transición”. Que actúa como una barrera para el pa passo de lo loss portadores mayorit itaarios de cada zona.

 



  Note como ante una fuente externa, después de hacerse hace rse agotado el intercamb intercambio io de electrone electrones s en la región de agotamiento, se produce un flujo masivo de electrones hacia los huecos (corriente e le ca) ca Por Po con ve ió ad d mlect octró virón minein to). d e r hco uencven osncción on moseelhaseadop ntiopta dotad do e e lal corriente eléctrica

 

La unión P-N polarizada en directa

P

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

+

-

-

+

+ +

+ +

-

+

N

+

+

-

-

+

+

+

+

+

+

La zona de transición se hace más pequeña. La corriente comienza a cir irccular a partir de un cierto umbral de tensión dir ireecta.

 

La unión P-N polarizada en directa

P

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

+

-

-

Concentración de huecos

+

+ +

+ +

-

+

N

+

+

-

-

+

+

+

+

+

Concentración de electrones

+

La rec ecom ombi bina naci ción ón el eleect ctrrón ón-h -hue uecco hac acee qu quee la con once cent ntrrac ació ión n de el elec ectr tron onees en la zona P disminuya al alejarse de la unión.

 

Consideremos un diodo PN polarizado como se muestra.

La polarización jala a los huecos y a los electrones alejándolos de la unión incrementando el ancho de la región de agotamiento. Se produce una pequeña corriente de huecos provenientes del lado n y electrones de lado p llamada   Corri Corrien ente te Inve Invers rsa a de  Saturación .

 

La unión P-N polarizada inversamente

P

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

+

-

+ +

+ +

+

+

N

+

+

-

-

+

+

+

+

+

+

La zona de transic ició ión n se hace más grande. Con polariz izaació ión n inv nveersa no hay circ ci rcul ulac ación ión de co corr rrie ient nte. e.

 

P

N +

Ánodo

Cátodo

DIODO SEMICONDUCTOR

-

 

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) I +

I

¡¡ PRESENTA UN COMPORTAMIENTO

P

NO LINEAL !!

 V 

-

N

 V 

ANÉCDOTA Un símil hidráulico podría ser una válvula anti-retorno, permite pasar el agua (cor (c orri rien ente te)) en un ún únic ico o se sent ntid ido. o.

 

Funcionamiento de una válvula anti-retorno

h

h2

Caudal

1

h1 - h2

 

DIODO REAL ánodo p  A

cátodo

1

i [mA]

Ge

n K

Si V [Volt.]

Símbolo

-0.25

Silicio Germanio

0

0.25

0.5

IS = Corriente Saturación Inversa K = Cte. Boltzman V  D q

   K T     1  I  D   I S    e      

K = 11600/ 

( =1 para Ge, y =2 para Si)

VD = Tensión diodo q = Carga del electrón T = Temperatu emperatura ra (ºK) ID = Corriente diodo

 

DIODO REAL (Distintas escalas) i [mA]

Ge Ge: mejoren en bloqueo conducción Si:: :mejor Si

1

Si

Ge

-0.25

30

i [mA]

Ge Si

V [Volt.]

0

0

-4

0.5

0.25

V [Volt.]

i [A]

i [pA]

V [Volt.] 0

-0.5

Ge

V [Volt.] 0

-0.5

Si -0.8 -10

1

 

DIODO: DISTINTAS APROXIMACIONES I

I

Solo tensión de codo Ge = 0.3 Si = 0.6

Ideal

V I

V I

Tensión de codo y Resistencia directa

V

Curva real (simuladores, análisis gráfico)

V

 

DIODO: LIMITACIONES

C orri orrient entee máx máx ima Tensión inve invers rs a máxima

I

Límite térmico, sección del conductor 

Ruptura de la Unión por av avala alanch nchaa

V

600 V/6000 A

200 V /60 A

1000 V /1 A

 

DIODO: Parámetros facilitados por fabricantes id IOmax

R= IVOMAX (AV)= VF = IR =

1000V 1A 1V 50 nA

Tensión inversa Corriente directamáxima máxima Caída de Tensión directa Corriente inversa

VR iS

Vd

VR = 100V IOMAX (AV)= 150mA VF = 1V

Tensión inversa máxima Corriente directa máxima Caída de Tensión directa

NOTA: Se sugiere con un buscador obtener las hojas de características de un diodo (p.e. 1N4007). Normalmente aparecerán varios

IR =

Corriente inversa

fabricantes para el mismo componente.

25 nA

 

DIODO: Parámetros facilitados por fabricantes

Tiempo Tiem po de recuperación inversa UE

iS

Bajafrecuencia frecuencia Alta +

UE

 

R iS

trr  = tiempo de recuperación inversa

A alta frecuencia se aprecia un intervalo en el cual el diodo conduce corrie cor riente nte inv invers ersa. a.

 

DIODOS ESPECIALES

D iodo Zener Zener ((Ze Zener ner di diode) ode)

Tensión

La ruptura no es destructiv destructiva. a. (Ruptura Zener). En la zona zona Zener Zener se comporta comporta como una fuente de tensión (Tensión Zener).

I

Zener  (VZ)

Necesitamos, un límite de corriente inversa. V

Podemos añadir al modelo lineal la resistencia Zener.

L í mite má máxx imo Normalmente, límite de potencia máxima

Aplicaciones en pequeñas fuentes de tensión y referencias. referencias.

 

DIODOS ESPECIALES

Diodo Dio do LE D (LE D dio diod de)

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

K

 

DIODOS ESPECIALES Los diodos basados en compuestos III-V, III-V, presentan

Fotod Fot odiodo iodoss (Phot (P hotod odiode iode))

Estos fotodiodos se usan en el tercer cuadrante. Siendo su aplicaciones principales: Sensores de luz (fotómetros)

i 0

iopt

una corriente de fugas proporcional a la luz incidente (siendo sensibles a una determinada longitud de onda).

V

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

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

I = f(T)

i V T1 T2>T1

0

 

DIODOS ESPECIALES

C élul ula as s ola olares (S ol ola ar C Ceell)

i

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.

VCA

V Zona uso

iCC Paneles de células solares

 

DIODOS ESPECIALES

Diodo S chot chotttky (S chot chotttky diode) 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 f ugas significativamente mayor mayor..



Menores tensiones de ruptura.



Caídas directas mas bajas (tensión de codo 0.2 V). Aplicacioness en Electrónica Digital y en Electrónica de Potencia Aplicacione



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

 

ASOCIACIÓN DE DIODOS

Puente rectificador 

D i odo de alta lta tens tens i ón (Diodoss en s erie) (Diodo

Monofásico

Trifásico

+

+

DISPLAY  -

 



 Símbolo



  Ecuación característica: característica:

 

Regiones de Operación  Región de polarización directa o región de conducción (VD>Vγ)    Regió Región n de pola polariza rización ción inver inversa sa (VZ < VD < Vγ)    Región de ruptura o Zener (VD