CAPITULO 4: DIODOS DE ESTADO SÓLIDO

TEMA A: Descripción de la juntura1) Introducción a los diodos de Estado Sólido: El diodo es un dispositivo no lineal, con característica de corriente contra tensión, la misma se conoce como “lineal a segmentos” ya que la curva se construye con segmentos de rectas. Posee dos terminales que permite la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido. El más común en la actualidad; consta de una pieza de cristal semiconductor conectada a dos terminales eléctricos. Ánodo (+) y Cátodo (-)

Diodos de juntura: está hecho de cristal semiconductor como el silicio con impurezas en él para crear una región que contiene portadores de carga negativos (electrones), llamado semiconductor de tipo n, y una región en el otro lado que contiene portadores de carga positiva (huecos), llamado semiconductor tipo p. Las terminales del diodo se unen a cada región. El límite dentro del cristal de estas dos regiones, llamado UNION PN, es donde la importancia del diodo toma su lugar. El cristal conduce una corriente de electrones del lado n (-) llamado cátodo, pero no en la dirección opuesta; es decir, cuando una corriente convencional fluye del ánodo (+) al cátodo (opuesto al flujo de los electrones).Al unir ambos cristales, se manifiesta una difusión de electrones del cristal n al p (Je). Al establecerse una corriente de difusión, aparecen cargas fijas en una zona a ambos lados de la unión, zona que recibe el nombre de región de agotamiento.A medida que progresa el proceso de difusión, la región de agotamiento va incrementando su anchura profundizando en los cristales a ambos lados de la unión. Sin embargo, la acumulación de iones positivos en la zona n y de iones negativos en la zona p, crea un campo eléctrico (E) que actuará sobre los electrones libres de la zona n con una determinada fuerza de desplazamiento, que se opondrá a la corriente de electrones y terminará deteniéndolos.Este campo eléctrico es equivalente a decir que aparece una diferencia de tensión entre las zonas p y n. Esta diferencia de potencial (VD) es de 0,7 V en el caso del Silicio y 0,3 V para los cristales de germanio.La anchura de la región de agotamiento una vez alcanzado el equilibrio, suele ser del orden de 0,5 micras pero cuando uno de los cristales está mucho más dopado que el otro, la zona de carga espacial es mucho mayor.Cuando se somete al diodo a una diferencia de tensión externa, se dice que el diodo está polarizado, pudiendo ser la polarización directa o inversa.

Método de Fabricación: Los diodos prácticos se construyen como una sola pieza de material semiconductor, en la que en un lado se contamina con material de tipo y en el otro con material tipo N, los materiales mas comunes en la construcción de diodos son 3, germanio, silicio y arseniuro de galio. En general el silicio ha reemplazado al germanio en los diodos debido a su mayor barrera de energía que permite la operación a temperaturas mas altas y los costos del material son mucho menores, el arseniuro de galio es útil en aplicaciones de alta frecuencia y microondas. La característica esencial de la unión PN es que el cambio en la concentración de impurezas se debe producir en una distancia relativamente corta, de otra manera la unión no se comportara como un diodo,

Principios generales de funcionamiento:

En la figura se ven las características de operación de un diodo practico, esta curva difiere de la de un diodo ideal, en los siguientes puntos: conforme la tensión en directo aumenta mas alla de cero, la corriente no fluye de inmediato, es necesaria una tensión minima, denotada por para obtener una corriente significativa. Conforme la tensión tiende a exceder la corriente aumenta con rapidez, la pendiente de la curva característica es grande, pero no infinita, como en el caso del diodo ideal. Cuando el diodo esta polarizado en inverso, existe una pequeña corriente de fuga, esta se produce siempre que la tensión sea inferior a la requerida para romper la unión, la corriente de fuga es mucho mayor para los diodos de germanio, si la tensión negativa es lo suficientemente grande como para estar en la región de ruptura, podría destruirse un diodo normal. Esta se define como la “tensión inversa pico PIV”. El daño al diodo normal en ruptura se debe a la avalancha de electrones que fluyen a través de la unión con poco incremento en la tensión. La corriente muy grande puede destruir el diodo si se genera excesivo calor. Esta ruptura se conoce como la tensión de ruptura del diodo.

2) Cálculo de la corriente en el diodo. Existe una relación exponencial entre la corriente del diodo y el potencial aplicado, es posible escribir una expresión única para la corriente que se aplique a condiciones de dolarización tanto en directo como en inverso:

Ley de Juntura

Solución de la ecuación de difusión para junturas abruptas:

Determinación de la corriente inversa de saturación. Es la pequeña corriente que se establece al polarizar inversamente el diodo por la formación de pares electrón-hueco debido a la temperatura, admitiéndose que se duplica por cada incremento de 10º en la temperatura.Procedemos ahora a derivar teóricamente la ley de juntura y a determinar la corriente inversa de saturación a partir de considerar la situación en polarización directa. Aquí cada zona ejerce sobre la otra una inyección estacionaria de portadores mediante mecanismos de difusión. Esta difusión se da

iD = corriente en el diodoVD = diferencia de potencial a través del diodoI0 = corriente de fugaq = carga del electrón: 1.6 x 10-19 coulombsn = constante empírica entre 1 y 2k = constante de Boltzman 1.38 x 10-23 J/ð kT = temperatura absoluta en grados kelvin

por la diferencia de concentración en ambos lados de la juntura, entre la polarización mayoritaria y la minoritaria de ciertos portadores. Para ello haremos una simplificación en que supondremos la zona de transición es nula de modo que queda reducida a un plano; A ambas caras de este plano se verifica la diferencia de concentraciones indicada. En estas condiciones y con polarización directa se produce la difusión de portadores de acuerdo al caso ya visto de inyección estacionaria.El exceso de portadores inyectados es directamente proporcional al factor de Bolzman, según ya se ha indicado, de modo que si es la población de equilibrio de huecos del lado “n”

De esta forma, la concentración de huecos en el lado N, varía siguiendo la ley:

La corriente que atraviesa el plano de juntura es propiamente y puramente corriente de difusión (lejos de la juntura decae la corriente de difusión y aumenta la corriente de corrimiento por efecto del campo eléctrico externo aplicado) de esta forma, la densidad de corriente de huecos de difusión.

De la misma forma, podemos razonar para el lado “N”

De modo que la densidad de corriente total es:

Podemos apreciar la corriente directa del diodo que es aproximadamente: despreciado

la influencia de la corriente inversa de saturación, lo que queda confirmado por la expresión

anterior. Además resulta inmediatamente que:

Notemos que la variación térmica asociada a la I0 viene dada por la variación térmica de la concentración de equilibrio y y las variaciones térmicas de las constantes de difusión.

3) Limitaciones: Tensión de arranque: La tensión umbral (también llamada barrera de potencial) de polarización directa coincide en valor con la tensión de la zona de carga espacial del diodo no polarizado. Al polarizar directamente el diodo, la barrera de potencial inicial se va reduciendo, incrementando la corriente ligeramente, alrededor del 1% de la nominal. Sin embargo, cuando la tensión externa supera la tensión umbral, la barrera de potencial desaparece, de forma que para pequeños incrementos de tensión se producen grandes variaciones de la intensidad de corriente.

Cte transversal de juntura

Resistencia dinámica: Cuando en un diodo se le superpone a la continua una pequeña señal (o sea una señal alterna), aparece para dicha señal una resistencia que depende del punto Q de funcionamiento. El valor de dicha resistencia se la denomina resistencia dinámica del diodo. Y como en el caso de la resistencia estática, se la puede calcular de dos formas, una gráfica y otra analítica. La resistencia dinámica posee dos componentes, una el valor de resistencia que presenta la juntura PN (llamado ru), y otro es el valor de la resistencia óhmica del cuerpo del diodo (llamada rb). O sea la resistencia dinámica es:

Para valores chicos de corriente de polarización (o sea la corriente continua), predomina  , y para valores grandes de corriente predomina rb

Variación de la característica directa con la temperatura: La temperatura tiene un efecto importante en la determinación de las características operativas de los diodos.Conforme aumenta la temperatura, disminuye la tensión de encendido V. por otra parte un descenso de la temperatura provoca un incremento de V. esta tensión umbral varia linealmente con la temperatura, según la siguiente ecuación y suponiendo que la corriente ID en el diodo se mantiene constante:

La corriente de saturación inversa es otro parámetro que depende de la temperatura. Aumenta aproximadamente 7,2% / ºC tanto para diodos de Ge como de Si. En otras palabras, se duplica cada 10 ºC de aumento de la temperatura, según la expresión:

Y siendo

Tensión inversa: - Tensión inversa de ruptura: la tensión inversa de ruptura es la máxima tensión en sentido inverso que puede soportar un diodo sin entrar en conducción; esta tensión para un diodo rectificador es destructiva, por ello cuando se diseña un circuito siempre se utiliza un factor de seguridad que no está determinado, sino que depende del diseñador, así por ejemplo, si la hoja de características de un diodo expresa un valor para la tensión inversa de ruptura de 80 V, un diseñador muy conservador puede utilizar un factor de seguridad de 2. El diodo no soportará, en ningún caso, tensiones inversas superiores a 40 V.

Mecanismos de ruptura:Efecto avalancha (diodos poco dopados). En polarización inversa se generan pares electrón-hueco que provocan la corriente inversa de saturación; si la tensión inversa es elevada los electrones se aceleran incrementando su energía cinética de forma que al chocar con electrones de valencia pueden provocar su salto a la banda de conducción. Estos electrones liberados, a su vez, se aceleran por efecto de la tensión, chocando con más electrones de valencia y liberándolos a su vez. El

T0 = Temp AmbienteT1 = Nueva Temp del diodoV(T0) = Tensión a Temp. AmbienteV(T1) = Tensión a la nueva Temp.. Coeficiente de Temp. En V/ºC

resultado es una avalanchade electrones que provoca una corriente grande. Este fenómeno se produce para valores de la tensión superiores a 6 V.Efecto Zener: (diodos muy dopados). Cuanto más dopado está el material, menor es la anchura de la zona de carga. Puesto que el campo eléctrico E puede expresarse como cociente de la tensión V entre la distancia d; cuando el diodo esté muy dopado, y por tanto d sea pequeño, el campo eléctrico será grande, del orden de 3·105 V/cm. En estas condiciones, el propio campo puede ser capaz de arrancar electrones de valencia incrementándose la corriente. Este efecto se produce para tensiones de 4 V o menores.Para tensiones inversas entre 4 y 6 V la ruptura de estos diodos especiales, como los Zener, se puede producir por ambos efectos.

4) Efectos reactivos asociados a la juntura:Capacidades de transición y difusión: Un diodo rectificador puede presentar dos tipos de capacidad: de transición y de difusión. La capacidad de transición aparece en polarización inversa, como consecuencia del enfrentamiento de las cargas a lo largo de la zona de agotamiento. La capacidad de difusión aparece en polarización directa a causa de un proceso que requiere algo de explicación.En polarización directa la corriente se produce como consecuencia del paso de la zona de agotamiento por parte de los portadores mayoritarios. Por ejemplo, electrones que van de la zona N a la zona P del diodo. Pero cuando llegan a la zona P los electrones pasan a ser minoritarios, y si continúa el proceso llegará a haber una gran concentración de electrones al otro lado de la frontera. Una situación análoga ocurre para los huecos que han atravesado la frontera hacia la zona N, por lo que al final acabaremos teniendo una gran concentración de portadores minoritarios a cada lado de la frontera. Dicha concentración aumentará conforme aumente la tensión directa aplicada entre ánodo y cátodo. Dicho aumento de la concentración es lo que hace que surja la capacidad de difusión. Una unión P-N polarizada inversamente, con cargas enfrentadas a lo largo de una zona de agotamiento de longitud L y encapsulada en un (componente) diodo de área de sección S, equivale a un condensador de capacidad C=ε·S/L. En este caso tenemos un varactor o varicap, que es un diodo rectificador polarizado en inversa que se usa como condensador.

Respuesta dinámica: -

Respuesta a un escalón: -

TEMA B: Tipos de diodos y aplicaciones1) Diodos rectificadores de silicio: Suelen tener un tamaño milimétrico y, alineados, constituyen detectores multicanal que permiten obtener espectros en milisegundos. Son menos sensibles que los foto multiplicadores. Es un semiconductor de tipo p (con huecos) en contacto con un semiconductor de tipo n (electrones). La radiación comunica la energía para liberar los electrones que se desplazan hacia los huecos, estableciendo una corriente eléctrica proporcional a la potencia radiante.

Diodos Zener: Es un diodo de cromo que se ha construido para que funcione en las zonas de rupturas. El diodo Zener es la parte esencial de los reguladores de tensión casi constantes con independencia de que se presenten grandes variaciones de la tensión de red, de la resistencia de carga y temperatura. Si a un diodo Zener se le aplica una corriente eléctrica del ánodo al cátodo (polarización directa) toma las características de un diodo rectificador básico, pero si se le suministra corriente eléctrica de cátodo a ánodo (polarización inversa), el diodo solo dejara pasar un voltaje constante.En conclusión: el diodo Zener debe ser polarizado en inversa para que adopte su característica de regulador de tensión

Diodos PIN de conductividad modulada: Un diodo PIN tiene una sección central sin doparse o en otras palabras una capa intrínseca formando una estructura p-intrinseca-n. Son usados como interruptores de alta frecuencia y atenuadores. También son usados como detectores de radiación ionizante de gran volumen y como foto detectores. Los diodos PIN también se usan en la electrónica de potencia y su capa central puede soportar altos voltajes. Además, la estructura del PIN puede encontrarse en dispositivos semiconductores de potencia, tales como IGBTs, MOSFETs de potencia y tiristores.

2) Diodos metal-semiconductor de contacto puntual y de barrera (diodo Schottky): El diodo Schottky están construidos de un metal a un contacto de semiconductor. Tiene una tensión de ruptura mucho menor que los diodos PN. Su tensión de ruptura en corrientes de 1mA está en el rango de 0.15V a 0.45V, lo cual los hace útiles en aplicaciones de fijación y prevención de saturación en un transistor. También se pueden usar como rectificadores con bajas pérdidas aunque su corriente de fuga es mucho más alta que la de otros diodos. Los diodos Schottky son portadores de carga mayoritarios por lo que no sufren de problemas de almacenamiento de los portadores de carga minoritarios que ralentizan la mayoría de los demás diodos (por lo que este tipo de diodos tiene una recuperación inversa más rápida que los diodos de unión PN. Tienden a tener una capacitancia de unión mucho más baja que los diodos pn que funcionan como interruptores veloces y se usan para circuitos de alta velocidad como fuentes conmutadas, mezclador de frecuencias y detectores.

3) Diodos Túnel: basta con contaminar ambas zonas semiconductoras, que componen la pastilla con la concentración de impurezas necesarias para que el nivel de Fermi coincida exactamente con el “techo” de la BV del material tipo P y con el “piso” de la BC del material tipo N. Esto es sumamente difícil de cumplir en la práctica. Podemos controlar la cantidad de impurezas que agregamos, pero con relativa precisión, podemos agrupar un número excesivo de impurezas y obtendremos un diodo de un comportamiento muy especial, al que llamaremos diodo túnel. Este diodo es un dispositivo cuya característica directa no tiene la forma de la de un diodo normal, se observa que la zona de polarización inversa, es la misma que la del diodo inverso, pero la zona de conducción directa, en lugar de sostener corrientes muy bajas, hasta la tensión umbral Vt, presenta una primer zona en que la corriente crece rápidamente hasta un máximo, luego desciende y llega a un valle y crece nuevamente, ya en forma definida. Es un diodo muy utilizado en alta frecuencia.

Diodos de retroceso o inversión: Es un caso particular de un diodo Zener con tensión de ruptura Vz=0, la ruptura se produce en cuanto apliquemos una tensión inversa por pequeña que esta sea. La característica directa del diodo inverso es la de un diodo convencional, en ella puede verse la zona de poca conducción limitada por la tensión umbral, de entre 0.2 y 0.6 volts. Este dispositivo solamente podrá ser utilizado para rectificar tensiones de valores tan bajos como los mencionados para la tensión umbral. Como en la zona de baja resistencia (3er cuadrante) la conducción se produce por efecto túnel, dicha conducción tendrá lugar por medio del pasaje de electrones ligados de una banda de valencia del material tipo p a la banda de conducción del material tipo n. como no interviene en ningún momento el proceso de difusión de minoritarios, no habrá acumulación de excesos que son los que constituyen cargas eléctricas, responsables de la aparición de retardos de tiempo en la respuesta del dispositivo, en consecuencia el diodo inverso puede ser utilizado para rectificar señales de baja amplitud y elevada frecuencia.

4) Diodos Varicap: aprovecha determinadas técnicas constructivas para comportarse, ante variaciones de la tensión aplicada, como un capacitor variable. Polarizado en inversa, este dispositivo electrónico presenta características que son de suma utilidad en circuitos sintonizados (L-C), donde son necesarios los cambios de capacidad. Cuando un diodo es polarizado en inversa, la barrera de potencial o juntura que forman los materiales N y P a partir del punto de unión de las

junturas. Visto en forma metafórica y práctica, es el equivalente a dos placas de un capacitor que van separándose a medida que la tensión de alimentación se incrementa.

5) Aplicaciones con diodos.Circuitos rectificadores. Reguladores con diodos Zener.