Diodos Semiconductores

Diodos Semiconductores

1. Introducción

   • Es el dispositivo no-lineal más básico. Tiene como aplicaciones limitar la corriente en directa y el voltaje en inversa.  Puede utilizarse como rectificador, convirtiendo la señal sinuosidad en semi-periodos positivos y nulos, despreciando los negativos, o como puertas lógicas de tipo OR o AND

2. Materiales semiconductores

   • La unión PN
     • Están formados por la unión de materiales tipo p y tipo n puestos en contacto. En la práctica ambas regiones son parte de un mismo cristal, en el cual se crean regiones con distinto dopado.
   • Semiconductor intrínseco
     • En las bandas prohibidas (gap) no puede haber electrones. A efectos de conductividad, las bandas más importantes son la banda de conducción y la banda de valencia. Esta condición de no excitación únicamente ocurre a la temperatura del cero absoluto en la escala Kelvin. Estructura cristalina regular con enlaces covalentes  El efecto térmico origina electrones libres  La ausencia del electrón genera una carga positiva o hueco  Un electrón puede rellenar un hueco mediante recombinación. La velocidad de ionización es función de la temperatura. En equilibrio térmico la velocidad de recombinación es igual a la velocidad de ionización, cumpliéndose que el no de electrones = no. huecos El salto de un electrón de la banda de conducción a la de valencia se puede ilustrar mediante el modelo de bandas de energía. Un trozo de silicio intrínseco a temperatura ambiente tiene, en cualquier instante, varios electrones de banda de conducción (libres) que en esencia andan a la deriva por todo el material.
   • Difusión y Arrastre
     • La difusión está relacionada con el movimiento aleatorio debido a la agitación térmica. Si la concentración de portadores es homogénea no existe flujo neto de carga (corriente). El arrastre (o deriva) de portadores ocurre cuando se aplica un campo eléctrico a través de una pieza de silicio.  La corriente de difusión en la dirección del eje x tiene una magnitud proporcional a la pendiente de la curva de concentración En cuanto al arrastre, los huecos cargados positivamente se mueven en la dirección del campo eléctrico E y adquieren una velocidad. Un semiconductor dopado es un material en el que un tipo de portador (electrones o huecos) predomina. Ello se consigue introduciendo átomos de impurezas. En el tipo N las electrones y en el P los Huecos.

3. La unión pn

   • La unión PN en circuito abierto
     • En la zona de tipo P los huecos son mayoritarios y en la zona tipo N son los electrones. Se desprecian a los otros componentes minoritarios. Corriente de difusión Id. Los componentes mayoritarios abandonan su zona para irse a la otra zona para poder recombinarse, originando cargas fijas “descubiertas”.Esto genera un campo eléctrico y, por tanto, una caída de potencial V0 a través de la región de vaciamiento que se opone a la difusión de huecos y electrones. Los portadores minoritarios en las cercanías de la zona de vaciamiento, sin embargo, son barridos por el campo eléctrico a través de la unión. Esto genera una corriente de arrastre Is. En condiciones de circuito abierto ambas corrientes son iguales en magnitud, estableciéndose un equilibrio, mantenido por el voltaje V0.
   • La unión PN en polarización Inversa
     • La corriente I, inyectada en inversa, aumenta el número de cargas fijas “descubiertas” en la zona de vaciamiento y, por tanto, incrementa el campo eléctrico, disminuyendo el valor de ID. El equilibrio se alcanza cuando: Is-Id = I El voltaje en la región de vaciamiento adquiere un valor superior a V0. Existe una similitud entre la región de vaciamiento de una unión pn y un condensador. A medida que cambia la tensión en la región de vaciamiento, también lo hace la carga almacenada en la misma.
   • La unión PN en la región de ruptura
     • Si I es mayor que IS o VR es mayor de una cantidad llamada VZK (zener knee) la corriente ID se hace casi cero se necesita un nuevo mecanismo para de creación de corriente para que junto con IS proporcionen I. Efecto Zener y efecto avalancha.  La operación en la región de ruptura es un proceso no destructivo.
   • La unión PN en polarización directa
     • La corriente I, inyectada en directa, introduce portadores mayoritarios, los cuales reducen el número de cargas fijas “descubiertas” en la zona de vaciamiento y, por tanto, disminuye el campo eléctrico, aumentando el valor de ID. El equilibrio se alcanza cuando: Is - Id = I El voltaje en la región de vaciamiento adquiere un valor inferior a V0. En el estado de equilibrio el perfil de exceso de portadores minoritarios se mantiene constante y tiene forma exponencial. Esto origina que ID > IS, ya que el exceso de portadores minoritarios se recombina con portadores mayoritarios de la polaridad contraria, los cuales deben ser repuestos mediante la circuitería externa.

4. El diodo: operación y circuitos equivalentes

   • Características I-V de los diodos de unión
     • En la operación del diodo existen tres regiones distintas: Polarización directa, inversa y región de ruptura. Como IS y VT dependen de la temperatura, la curva i–v del diodo varía con T. Gran parte de la corriente en inversa se debe a efectos de fuga (leakage). En la zona de ruptura se produce una gran variación de corriente en inversa asociada a un cambio muy pequeño de la caída de voltaje. La zona de ruptura se alcanza cuando el voltaje en inversa excede un determinado valor umbral, llamado voltaje de ruptura (breakdown). Esta tensión es denotada como VZK y tiene lugar en el denominado “codo” (knee) de la curava i-v. La ruptura es un proceso no destructivo siempre que se limite potencia disipada mediante un circuito externo apropiado. La línea casi vertical en la característica i-v de un diodo en inversa permite que sea utilizado en aplicaciones de regulación de voltaje.
   • Modelos del diodo
     • Se desean obtener las magnitudes VD e ID.
     • Modelo exponencial
       • Es el modelo más preciso, ain embargo, su naturaleza no lineal lo hace el más difícil de utilizar. Tenemos dos métodos de resolución: análisis gráfico e iterativo.
     • Modelo lineal por tramos
       • Si se quiere ganar tiempo, se pueden utilizar modelos más sencillos. Dos rectas: - Línea A con pendiente cero - Línea B con pendiente 1/rD
     • Modelo de caída de voltaje constante
       • Es aún más simple y consiste en suponer que un diodo conduciendo presenta una caída de tensión constante VD= 0,7V
     • Modelo del diodo ideal
       • En aplicaciones que impliquen voltajes mucho mayores que la caída de tensión en el diodo (0.6 V – 0.8 V) se puede utilizar el modelo ideal del diodo: VD = 0 V e Id determinada por el resto de componentes
     • Modelo de pequeña señal
       • En algunos casos se añade a la señal en DC una pequeña señal de AC. Metodología: 1. Determinar el punto de operación 2. Utilizar un modelo para analizar la respuesta en pequeña señal.
       • Diodo Zener
         • Como en el caso de un diodo en directa, para un diodo zener podemos suponer un modelo basado en una fuente de tensión fija y una resistencia equivalente.   - La resistencia rz se llama resistencia incrementalo resistencia dinámica del zener- La tensión VZO denota el punto en el que la línearecta de pendiente 1/rz intersecta el eje x
   • Regulador de Voltaje
     • Una referencia de voltaje proporciona una tensión de continua estable acorto y largo plazo que se utiliza como referencia estándar. Los principales requerimientos de una referencia de tensión son: La precisión: define las diferencias de su salida con referencia al valor nominal. La estabilidad: define la influencia que sobre el valor de salida tienen los cambios de parámetros del entorno,
   • Regulación de linea y carga
     • La regulación de línea es una medida de la capacidad que tiene una fuente de alimentación para mantener la tensión de salida nominal con variación de la tensión de alimentación. Si V+ es la tensión de de alimentación (no regulada) y Vo la tensión de salida estabilizada. La regulación de carga es una medida de la capacidad del circuito para mantener la la tensión de salida aunque cambie la corriente IL que es consumida por la carga.

5. Diodos de propósito especial

   • Diodo Zener
     • El diodo zener se diseña para operar en condiciones de ruptura en inversa, bien sea mediante efecto zener o efecto avalancha. La principal característica del diodo zener es su capacidad para la regulación de voltaje. En la hoja de datos de un diodo zener se especifica un voltaje nominal VZ para una corriente inversa llamada corriente de prueba IZT. La dependencia de VZ con la temperatura se especifica en términos del coeficiente de temperatura,TC.
   • Diodo Varactor
     • Un varactor es un diodo que siempre opera en polarización inversa y se dopa para incrementar al máximo la capacitancia inherente de la región de vaciamiento
   • Fotodiodo
     • Un fotodiodo es un dispositivo que opera en inversa y convierte la luz incidente en corriente eléctrica. La luz que incide en la unión rompe enlaces covalentes y se generan pares electrón-hueco en la zona de vaciamiento. El campo eléctrico atrae los portadores (los e hacia la zona n y los h+ hacia la zona p) y genera una corriente en inversa, que es proporcional a la luz incidente.
   • Diodo LED
     • Se caracteriza por convertir una corriente en directa en luz. La recombinación de portadores minoritarios, característica de la conducción en directa, es la que genera la emisión de luz en un determinado tipo de semiconductores denominados de gap directo.
   • Diodo Laser
     • La luz emitida por un diodo láser es monocromática (de un solo color) y coherente (misma orientación), mientras que la del LED es incoherente.
   • Diodo Schottky
     • Un diodo Schottky es un dispositivo formado por semiconductor tipo n y metal, que se utiliza principalmente en aplicaciones de alta frecuencia y conmutación rápida. En un diodo Schottky la corriente se origina debido a los portadores mayoritarios (electrones). No existen efectos de almacenamiento de carga de portadores minoritarios, por lo que el tiempo de conmutación es mucho más rápido que el de una unión pn.  La caída de voltaje en directa es menor, entre 0.3 V y 0.5 V.
   • Diodo Pin
     • Un diodo pin está formado por semiconductores tipo p, intrínseco y n. La ventaja de introducir semiconductor intrínseco en medio es que el campo eléctrico en la unión es menor, por lo que pueden soportar tensiones de inversa relativamente grandes sin entrar en la zona de ruptura. En inversa se comporta como un condensador con valor casi constante y muy bajo. En directa se comporta como una resistencia variable.
   • Diodo Túnel
     • El diodo túnel exhibe una característica especial llamada resistencia negativa. El dopado excesivo permite la conducción en todos los voltajes en inversa (no hay ruptura). La estrecha región de vaciamiento permite que los electrones atraviesen la unión pn como si fuera un “túnel”. En un punto dado, el voltaje en directa desarrolla una barrera y a medida que aumenta el voltaje disminuye la corriente: resistencia negativa.