Diodos avanzado

8/17/2019 Diodos avanzado

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CONTENIDO DETALLADO:

1. Diodos y aplicaciones con diodos.

1.1 Introducción a los diodos y diodo ideal.

1.2 Materiales semiconductores tipo N y tipo .

1.! Cur"as caracter#sticas $ideal% real y apro&imadas' de un diodo.

1.( Al)unas imper*ecciones del diodo y sus +o,as de especi*icaciones.

1.- El diodo ener% el diodo emisor de lu/ $LED' y otros tipos de diodos.

1.0 Comportamiento de CC de un diodo.

1. El recti*icador de media onda.

1. El recti*icador de onda completa.

1.3 4ecortadores y su,etadores.

1.15 Multiplicadores de "olta,e.

1.1 Introducción a los diodos y

diodo ideal.

Las décadas que siguieron a la introducción del transistor en los años cuarentahan atestiguado un cambio sumamente drástico en la industria electrónica. Laminiaturización que ha resultado nos maravilla cuando consideramos sus límites.n la actualidad se encuentran sistemas completos en una oblea miles de vecesmenor que el más sencillo elemento de las primeras redes. Las venta!as asociadascon los sistemas semiconductores en comparación con las redes con tubos de los

años anteriores son " en su mayor parte" obvias# más pequeños y ligeros" norequieren calentamiento ni se producen pérdidas térmicas $lo que sí sucede en elcaso de los tubos%" una construcción más resistente y no necesitan un periodo decalentamiento.

La miniaturización de los &ltimos años ha producido sistemas semiconductorestan pequeños que el propósito principal de su encapsulado es proporcionar

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simplemente algunos medios para el mane!o del dispositivo y para asegurar quelas cone'iones permanezcan (i!as a la oblea del semiconductor. )res (actoreslimitan en apariencia los límites de la miniaturización# la calidad del propiomaterial semiconductor" la técnica del diseño de la red y los límites del equipo demanu(actura y procesamiento.

l primer dispositivo electrónico que se presentará se denomina diodo. s el mássencillo de los dispositivos semiconductores pero desempeña un papel vital enlos sistemas electrónicos" con sus características que se aseme!an en gran medidaa las de un sencillo interruptor. *e encontrará en una amplia gama deaplicaciones" que se e'tienden desde las simples hasta las sumamente comple!as.+parte de los detalles de su construcción y características" los datos y grá(icasmuy importantes que se encontrarán en las ho!as de especi(icaciones también seestudiarán para asegurar el entendimiento de la terminología empleada y para

poner de mani(iesto la abundancia de in(ormación de la que por lo general se

dispone y que proviene de los (abricantes.+ntes de e'aminar la construcción y características de un dispositivo real"consideremos primero un dispositivo ideal" para proporcionar una basecomparativa. l diodo ideal es un dispositivo de dos terminales que tiene elsímbolo y las características que se muestran en la (igura 1.1a y b"respectivamente.

$a%


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$6'

7i)ura 1.1 Diodo ideal: $a's#m6olo8 $6' caracter#stica.

n (orma ideal" un diodo conducirá corriente en la dirección de(inida por la(lecha en el símbolo y actuará como un circuito abierto para cualquier intento deestablecer corriente en la dirección opuesta. n esencia#

Las características de un diodo ideal son las de un interruptor que

puede conducir corriente en una sola dirección.

n la descripción de los elementos que sigue" un aspecto muy importante es lade(inición de los símbolos literales" las polaridades de voltaje y las direcciones

de corriente. *i la polaridad del volta!e aplicado es consistente con la que semuestra en la (igura 1.1.a" la parte de las características que se consideran en la(igura 1.1.b" se encuentra a la derecha del e!e vertical. *i se aplica un volta!einverso" las características a la izquierda son pertinentes. n el caso de que lacorriente a través del diodo tenga la dirección que se indica en la (igura 1.1.a" la

parte de las características que se considerará se encuentra por encima del e!e


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horizontal" en tanto que invertir la dirección requerirá el empleo de lascaracterísticas por deba!o del e!e.

,no de los parámetros importantes para el diodo es la resistencia en el punto oregión de operación. *i consideramos la región de(inida por la dirección de I D y

la polaridad de V D en la (igura 1.1.a $cuadrante superior derecho de la (igura1.1.b%" encontraremos que el valor de la resistencia directa R F " de acuerdo a comose de(ine con la ley de -hm es

$corto circuito%

donde V F es el volta!e de polarización directo a través del diodo e I F es lacorriente en sentido directo a través del diodo.

El diodo ideal, por consiguiente, es un corto circuito para la región

de conducción.

*i consideramos la región del potencial aplicado negativamente $tercercuadrante% de la (igura 1.1.b"

$circuito abierto%

donde V R es el volta!e de polarización inverso a través del diodo e I R es lacorriente inversa en el diodo.

El diodo ideal, en consecuencia, es un circuito abierto en la región

en la que no a! conducción.

n síntesis" se aplican las condiciones que se describen en la (igura 1..


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7i)ura 1.2 Estados $a' de conducción y $6' de no conducción del diodo ideal.

n general" es relativamente sencillo determinar si un diodo se encuentra en laregión de conducción o en la de no conducción observando tan solo la direcciónde la corriente I D establecida por el volta!e aplicado. /ara el (lu!o convencional$opuesto al de los electrones%" si la corriente resultante en el diodo tiene la mismadirección que la de la (lecha del mismo elemento" éste opera en la región deconducción. sto se representa en la (igura 1.0a. *i la corriente resultante tiene ladirección opuesta" como se muestra en la (igura 1.0b" el circuito abiertoequivalente es el apropiado.

7i)ura 1.! $a' Estado de conducción y $6' de no conducción del diodo ideal

determinados por la dirección de corriente de la red aplicada.


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omo se indicó con anterioridad" el propósito principal de esta sección es el de presentar las características de un dispositivo ideal para compararlas con las delas variedades comerciales.

1.2 Materiales semiconductorestipo N y tipo P.

on(iguración lectrónica de los elementos *emiconductores#

lemento 2electrones 1* * / 0* 0/ 0d 3* 3/ 3d 3( 4* 4/

5oro 22222 5 22 4 2 1

arbono 22 22 6 2

+luminio 22 +l 2210 2 6 2 1

*ilicio 2222 *i 22 13 2 6 2

7ós(oro 222 / 2214 2 6 2 0

8alio 2222 8a 2201 2 6 2 6 2 19 2 1

8ermanio228e 220 2 6 2 6 2 19 2

+rsénico 22+s 2200 2 6 2 6 2 19 2 0

:ndio 22222:n 22 3; 2 6 2 6 2 19 2 6 2 19 2 1

staño 2222*n22 49 2 6 2 6 2 19 2 6 2 19 2

+ntimonio22*b2 41 2 6 2 6 2 19 2 6 2 19 2 0


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lectrones por

aterial :ntrínseco

ristal de *ilicio

>aterial :ntrínseco )ipo <

ristal de *ilicio ?dopado? con átomos de +rsénico. @tomos ?Donadores?


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Las impurezas di(undidas con cinco electrones de valencia se denominan átomosdonadores.

Los materiales tipo < se crean añadiendo elementos de impureza $átomos% quetengan cinco electrones de valencia" ?/entavalentes?.

>aterial 'trínseco )ipo /

ristal de *ilicio ?Dopado? con átomos o impurezas de 8alio. @tomos ?+ceptores?

Las impurezas di(undidas con tres electrones de valencia se denominan átomosaceptores.

Los materiales tipo / se crean añadiendo elementos de impurezas $átomos% quetengan tres electrones de valencia.


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/or las razones antes e'puestas" en un material tipo < el electrón se denomina portador ma!oritario y el hueco" portador minoritario.

uando el quinto electrón $electrón sobrante% de un átomo donador abandona alátomo padre" el átomo que permanece adquiere una carga positiva neta# a éste se

le conoce como ion donador y se representa con un circulo encerrando un signo positivo. /or razones similares" el signo negativo aparece en el ion aceptor.

)ipo <

⊕ :ones Donadores $@tomos de impurezas con 4 electrones%.

A /ortadores >ayoritarios.

B /ortador >inoritarios.

$Cuecos generados cuando algunos electrones de átomos de silicio adquierensu(iciente energía para romper el enlace covalente y convertirse en electroneslibres yo portadores >ayoritarios%.

)ipo


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)ipo /

θ A :ones +ceptores $@tomos de impurezas con 0 electrones%.B /ortadores >ayoritarios.

A /ortadores minoritarios.

$electrones libres generados cuando estos adquieren su(iciente energía pararomper el enlace covalente" el hueco que de!an se convierte en portadomayoritario%.

)ipo /

Diodo *emiconductor


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l diodo semiconductor se (orma uniendo los materiales tipo < y tipo /" loscuales deben estar construidos a partir del mismo material base" el cual puede ser"e o #i.

Las dimensiones de los bloques de material tipo < y tipo /" así como las técnicas

y tecnologías que se utilizan para unirlos no son parte de los ob!etivos del curso y por esa razón no se abordará el tema" si alguien desea saber un poco más de esto" puede consultar el capítulo 10" 9 yo 1 del libro de te'to.

Eegión de +gotamiento

n el momento en que dos materiales son unidos $uno tipo < y el otro tipo /%" loselectrones y los huecos que están en " o cerca de" la región de ?unión?" secombinan y esto da como resultado una carencia de portadores $tanto como

mayoritarios como minoritarios% en la región cercana a la unión. sta región deiones negativos y positivos descubiertos recibe el nombre de Región de

$gotamiento por la ausencia de portadores.

'isten tres posibilidades al aplicar un volta!e a través de las terminales deldiodo#

A


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A /olarización inversa $V D I 9 G%.

V D F 9 G. n condiciones sin polarización" los portadores minoritarios $huecos%en el material tipo < que se encuentran dentro de la región de agotamiento

pasarán directamente al material tipo / y viceversa. n ausencia de un volta!e de

polarización aplicado" el (lu!o neto de carga $corriente% en cualquier dirección escero para un diodo semiconductor.

La aplicación de un volta!e positivo ?presionará? a los electrones en el materialtipo < y a los huecos en el material tipo / para recombinar con los iones de la(rontera y reducir la anchura de la región de agotamiento hasta desaparecerlacuando V D 9.J G para diodos de *ilicio.

I D 9 I ma!oritarios I #

ondición de /olarización :nversa $V D ; 5


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l (enómeno e'plicado anteriormente" en ambos tipos de material < y /" provocará que la región de agotamiento se ensanche o crezca hasta establecer una barrera tan grande que los portadores mayoritarios no podrán superar" estosigni(ica que la corriente I D del diodo será cero.

*in embargo" el n&mero de portadores minoritarios que estarán entrando a laregión de agotamiento no cambiará" creando por lo tanto la corriente I *.

La corriente que e'iste ba!o condiciones de polarización inversa se denominacorriente de saturación inversa" I # .

l término ?saturación? proviene del hecho que alcanza su má'imo nivel $sesatura% en (orma rápida y no cambia signi(icativamente con el incremento en el

potencial de polarización inversa" hasta que al valor V % o G/:" volta!e picoinverso.

l má'imo potencial de polarización inversa que puede aplicarse antes de entraren la región Kener se denomina Golta!e /ico :nverso o G/: nominal.

Los diodos de silicio tienen generalmente valores nominales de G/: y decorriente más altos e intervalos de temperatura más amplios que los diodos degermanio.


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1.3 Curvas características(ideal, real y aproximadas de

un diodo. La curva de un diodo semiconductor $o diodo real% se puede de(inir por lasiguiente ecuación#

AAAAAAAA & F 11"699η AAAAAAAA η = 1 para "e

' &

( ' ) *

+ -* AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA

η = 2 para #i


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/ara un diodo de silicio la corriente de saturación inversa I # aumentará cerca deldoble en magnitud por cada 19 de incremento en la temperatura.

Debido a la (orma que tiene la curva característica del diodo" mostradaanteriormente" y la (orma comple!a de la ecuación" con (recuencia se utiliza un

modelo simpli(icado#

l modelo simpli(icado se puede utilizar siempre que la resistencia de la red yode los dispositivos !unto a los cuales se conectará el diodo sea mucho mayor que

la resistencia promedio del diodo r d" la cual se podría calcular como r d" en promedio" la resistencia de un diodo de pequeña señal es de 6Ω. Red // r d


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1.! "l#unas imper$ecciones deldiodo y sus %o&as de

especi'caciones. Los dispositivos electrónicos $entre ellos los semiconductores% son sensibles a(recuencias muy elevadas. n los diodos se presentan dos e(ectos principales aaltas (recuencias#

• apacitancias parásitas de )ransición y de Di(usión.

• )iempo de recuperación en *entido :nverso.

n la región de polarización inversa se presenta principalmente la capacitancia dela región de agotamiento $) ' %" en tanto que en la de polarización directa se presenta principalmente la capacitancia de di(usión o de almacenamiento $) D%.

l tiempo de recuperación en sentido inverso se representa por t rr . uando eldiodo está polarizado directamente y el volta!e aplicado se invierterepentinamente" idealmente se debería observar que el diodo cambia en (ormainstantánea del estado de conducción al de no conducción. *in embargo" debido aun n&mero considerable de portadores minoritarios en cada material" el diodo secomportará como se muestra en la siguiente (igura#


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t s A 'iempo de almacenamiento. )iempo requerido para que los portadoresminoritarios regresen a su estado de portadores mayoritarios en el materialopuesto.

t t A Intervalo de 'ransición. )iempo requerido para que la corriente inversa sereduzca al nivel asociado con el estado de no conducción.

4ns ≤ t rr ≤ 1 µs en diodos de recuperación muy rápida $t rr ≈ 149 /seg.%

Co!as de especi(icaciones del diodo.

1. l volta!e directo V F $a una corriente u temperatura especí(ica%.

. >á'ima orriente Directa I F $)emp. especí(ica%.

0. orriente de *aturación :nversa I R $volta!e y temperatura especí(icos%.

3. Golta!e inverso á'imo nivel de disipación de /otencia 1 Dm23 $)emperatura%.

6. apacitancias parásitas.

J. )iempo de recuperación en sentido inverso t rr .

=. :ntervalo de temperatura de operación.


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1. )l diodo *ener, el diodoemisor de lu+ ()- y otros

tipos de diodos.

D:-D-* K


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n el circuito que se muestra" se desea proteger la carga contra sobrevolta!es" elmá'imo volta!e que la carga puede soportar es 3.= volts. *i se elige un diodoKener cuyo V % sea 3.= volts" entonces este se activará cuando el volta!e en la

carga sea 3.= volts" protegiéndola de esta manera.

L D:-D- >:*-E D L,K $LD%

l LD es un diodo que produce luz visible $o invisible" in(rarro!a% cuando seencuentra polarizado.

l volta!e de polarización de un LD varía desde 1.= G hasta .4 G" y la corrientenecesaria para que emita la luz va desde = m+ hasta los 9 m+.

rincipio de 7uncionamiento:

n cualquier unión /A< polarizada directamente" dentro de la estructura y principalmente cerca de la unión" ocurre una recombinación de huecos yelectrones $al paso de la corriente%. sta recombinación requiere que laenergía que posee un electrón libre no ligado se trans(iera a otro estado. n todaslas uniones /A< una parte de esta energía se convierte en calor y otro tanto en(otones. n el #i y el "e el mayor porcenta!e se trans(orma en calor y la luzemitida es insigni(icante. /or esta razón se utiliza otro tipo de materiales para(abricar los LDOs" como 7os(uro +rseniuro de de 8alio $8a+s/% o (os(uro de

8alio $8a/%.


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-tros diodos son#

• Diodos *chottPy $Diodos de 5arrera%.

• Diodos Garactores o Garicap.

• Diodos )unel.

• 7otodiodos.

• Diodos emisores de luz in(rarro!a.

• Diodo de inyección láser $:LD%.

Los diodos emisores de luz se pueden conseguir en colores# verde" ro!o" amarillo"

ámbar" azul y algunos otros.

n este punto del curso vale la pena tomar en cuenta los siguiente comentarios#

A Q Rué tan válido es utilizar las apro'imaciones S

A Q Rué tan e'acto puede ser un cálculo yo una medición realizada en ellaboratorio S


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Cay que tener en cuenta que las características obtenidas de las ho!as deespeci(icaciones pueden ser distintas para los diodos $p. e. 1


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*i en lugar del modelo simpli(icado se utilizara el modelo del diodo ideal "entonces sí cambiaría mucho el punto R.

->/-E)+>:


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n esta sección se utilizará el modelo simpli(icado" o modelo apro'imado deldiodo para analizar el comportamiento en diversas con(iguraciones en serie y en

paralelo con entradas de D.

/ara cada con(iguración o circuito debe determinarse primero el estado de cada

diodo $onducción o


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on G F 1 volts

Eealizando la malla#

V A V ' A V R F 9

8 4 5.- A IR F 9

Despe!ando I de la ecuación anterior#

I F 98 4 5.-:68. ; (


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I F I D F 9 +

0.A

n este caso" aunque la polaridad del volta!e de la

la (uente es adecuada para polarizar el diodo" el niA

vel de volta!e es insu(iciente para activar al diodo

de silicio y ponerlo en el estado de conducción.

De acuerdo con la grá(ica I D F 9

5.= 4 5.= A V R F 9


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5.= 4 5.= A IR F 9

I F 9 ⇒ V R F 9

3.A

8 A V '#i A V '"e A I D R F 9 " si I D F I

8 4 5.- 4 5. A I 9>.?;: F 9

I F 88V 6 >.?; F 8.


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6.A

V 8 4 V R8 4 V D 4 V R + V ( 5

85 4 I R8 45.- 4 I R + > ( 5

8=. 4 I9R8 + R : ( 5

I ( 8=. 6 9=.-; + .;: ( .8 m$

V o ( V R 4 V ( 9=.>? 4 >:v ( 45.==v

V R ( 9.8 m$:9.;: ( =.>?v

J.A


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85 4 V R 4 5.- ( 5

85 4 9I:9R: 4 5.- ( 5

I (


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19.A

4V R + 5 4 V D8 4 V D ( 5

1./ )l recti'cador de mediaonda.


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l V prom o V cd de esta señal recti(icada es#


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" pero ω = 2π( y ( F1)

*i V m es mucho mayor que V ' ⇒ V cd ≈ 9.01=V m


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V pp F Galor pico a pico F V p

V p F Galor pico

V promedio F 9

!emplo# Dibu!e la salida V o y calcule el nivel de cd para la siguiente red.


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a% con V i F 9 sen ω t volts y con diodo ideal.

on el diodo conectado de esta manera" éste conducirá &nicamente en la parte

negativa de V i.V cd F A9.01=V m F A9.01=$9%

V cd F A6.06 volts

b%Eepita el inciso anterior si el diodo se sustituye por uno de silicio.

V cd F A 9.01=$V m 4 V ' %

V cd F A 9.01=$9 A9.J%

V cd F A 6.13G


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c% Eepita el inciso a% si el diodo ideal se sustituye por uno de silicio y V i F 1J;.6 sen ω t volts.

d% Eepita el inciso anterior con diodo ideal.

l volta!e pico inverso del diodo es de (undamental importancia en el diseño desistemas de recti(icación.

l G/: del diodo no debe e'cederse $V m A V1I % ya que de lo contrario" el diodoentraría en la región de avalancha o región Kener.

La mayor parte de los circuitos electrónicos necesitan un volta!e de c.d. paratraba!ar. Debido a que el volta!e de línea es alterno" lo primero que debe hacerse


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en cualquier equipo electrónico es convertir o ?recti(icar? el volta!e de alterna$c.a.% en uno de directa $c.d.%.

La tarea de la ?(uente? o (uente de alimentación de cualquier equipo o aparatoelectrónico es obtener el o los niveles adecuados de c.d. a partir del volta!e de

linea $1J V RB# %.

l trans(ormador es un dispositivo que se utiliza para elevar o reducir el volta!ede +" seg&n como sea necesario.

dondeC

V 8 F Golta!e en el devanado primario

V F Golta!e en el devanado secundario

8 F U de vueltas en devanado primario

F U de vueltas en el devanado secundario


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/.e. *i la razón de vueltas es 6#1 y V in es el volta!e de la línea#

1.0 )l recti'cador de ondacompleta (..C.

*e conocen y se utilizan dos con(iguraciones para recti(icadores de ondacompleta. La primera de ellas es el ?/uente? recti(icador de onda completa#


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Eecti(icador de onda completa utilizando )rans(ormador con Derivación entral


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/ara diodos reales# G prom F Gcd F 9.606 $GmAG)%

/ara cada diodo# G/: ≥ Gm


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