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Diodo

I. +. V. -. Diodo. Si. Si. Si. Si. Si. Si. Si. Si. Introducción a la física de estado sólido: semiconductores. Semiconductor intrínseco. 0ºK. Si. Si: silicio Grupo IV de la tabla periódica. Si. Si. Si. Si. Si. Si. Si. Si. 300ºK. Electrón. Hueco.

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Presentation Transcript

  1. I + V - Diodo

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

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

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

  5. 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

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

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

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

  9. - Al - Al Al - - Al Al - Al - Impurezas grupo III Al - - Al - Al Al - Al - Al - Al - - Al - Al - Al Huecos libres Átomos de impurezas ionizados Introducción a la física de estado sólido: semiconductores Semiconductor extrínseco : TIPO P 300ºK Los portadores mayoritarios de carga en un semiconductor tipo P son Huecos. Actúan como portadores de carga positiva.

  10. + + - - - + + - + - - + + - + - + - + - - - + + - + + + - + - - La unión P-N La unión P-N en equilibrio Semiconductor tipo P Semiconductor tipo N

  11. Zona de transición - + La unión P-N La unión P-N en equilibrio + + - - - + + - + - - + + - + - + - + - - - + + - + + + - + - - 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.

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

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

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

  15. 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 DIODO SEMICONDUCTOR

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

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

  18. I + V - 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 ¡¡ 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.

  19. i [mA] 1 ánodo cátodo Si Ge p n V [Volt.] 0 -0.25 0.25 0.5 DIODO REAL 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

  20. i [mA] 30 Ge Si V [Volt.] 0 1 -4 i [A] i [pA] V [Volt.] V [Volt.] 0 0 -0.5 -0.5 Si Ge -0.8 -10 DIODO REAL (Distintas escalas) Ge: mejor en conducción Si: mejor en bloqueo i [mA] 1 Si Ge V [Volt.] 0 -0.25 0.25 0.5

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

  22. 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

  23. id IOmax VR Vd iS DIODO: Parámetros facilitados por fabricantes 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

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

  25. I Voltaje Zener (VZ) V Límite máximo Normalmente, límite de potencia máxima 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.

  26. DIODOS ESPECIALES Diodo emisor de Luz = Light Emitter Diode Diodo LED (LED 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

  27. i i V V T1 0 0 iopt T2>T1 I = f(T) DIODOS ESPECIALES 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) COMENTARIO Los diodos normales presentan variaciones en la corriente de fugas proporcionales a la 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

  28. Paneles de celdas solares DIODOS ESPECIALES 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. Celdas solares (Solar Cell) i VCA V Zona uso iCC

  29. 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

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

  31. 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.

  32. 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.

  33. Electrónica de potencia Aplicaciones

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

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

  36. 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

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

  38. 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

  39. APLICACIONES DE DIODOS Detectores reflexión de objeto Detectores de barrera

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

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

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

  43. El germanio, por que es mejor conductor

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