capítulo i - diodo

8/20/2019 Capítulo I - Diodo

1/12

Capítulo I

Electrónica III / Prof. Ing. Marcelo D'Amore 1

DIODO DE POTENCIA

Un diodo (rectificador) de potencia es un componente de dos regiones, similaren principio al diodo de señal, que consta de una capa P y una capa N formadasen el mismo material semiconductor (substrato).La figura 1.1 muestra una disposición simplificada de las dos regiones. La

región P tiene abundancia de huecos (los huecos son los portadoresmayoritarios), y la región N tiene electrones como portadores mayoritarios. Loselectrones y los huecos forman los portadores minoritarios en las regiones P y

N respectivamente.

Al acercarnos a la unión entre las dos regiones, la concentración P y N decrece para acoplarse a la de la otra región. Por lo tanto en el material hay ungradiente que da por resultado la difusión de huecos y electrones a través de launión. Esto hace que haya una recombinación en la región opuesta, por lo quese forma una barrera de carga negativa en la región P y una barrera positiva enla región N. Debido a la barrera sólo unos cuantos electrones y huecos con altaenergía cinética, pueden cruzar o permanecer en la región de unión.

Esta región sólo tiene unos cuantos portadores mayoritarios y se conoce comoregión de EMPOBRECIMIENTO o de CARGA ESPACIAL.

Fig. 1- 1

Ya que la región de empobrecimiento sólo tiene unos cuantos portadores decarga, se comporta como un aislante. Por lo tanto el dispositivo se parece a uncondensador al tener dos regiones conductoras separadas por un aislante. Elancho de la región y por lo tanto su capacidad dependerá de la tensión inversaaplicada a la unión P-N. Este efecto capacitivo influye en el comportamientoen conmutación.

CONSTRUCCIÓN Y ENCAPSULADO

Las características eléctricas deseables de un diodo de potencia principalmenteson las siguientes:


2/12

Capítulo I

Electrónica III / Prof. Ing. Marcelo D'Amore2

Capacidad de soportar gran intensidad de corriente con una pequeña caídade tensión en estado de conducción o polarización directa.

Capacidad de soportar gran tensión inversa con pequeñas corrientes de fugaen estado de bloqueo o polarización inversa.

De los semiconductores empleados normalmente, Ge y Si, el primero tiene laventaja de una baja caída de tensión, 0,5V frente a 1-2V del Si, pero éstesoporta hasta unos 200 ºC en la unión y elevadas tensiones inversas frente aunos 120 ºC del Ge. Por lo tanto en aplicaciones de potencia se usa casi conexclusividad al Si, reservándose el Ge a aquellas que requieran bajas tensionesy sea deseable una caída mínima.

Las técnicas de construcción de los semiconductores de potencia de Ge y Sihan llegado a un grado de perfección extrema, consiguiéndose componentes deuna larga vida si trabajan dentro de las especificaciones.

La técnica más usada es la de difusión. Se parte de un cilindro semiconductor de Si de tipo N que ha sido fabricado porcrecimiento de un cristal semilla en un baño de semiconductor fundido. Elcilindro, de varios cm. de largo y uno o más de diámetro se corta en discos deaproximadamente 1 mm de espesor (depende de la tensión inversa requerida).El disco de material N se introduce en un horno de atmósfera inerte en la quese inyecta una determinada cantidad de impurezas aceptadoras, tales como elIndio. Éstas se difunden por una de las caras hasta alcanzar la profundidad yconcentración deseadas. Luego se realiza otro dopado P muy intenso y de poca

penetración, en la misma cara, para reducir la resistencia eléctrica en lasoldadura al terminal de ánodo.

(Perfil de las concentraciones en sentido axial)Fig. 1- 2


3/12

Capítulo I


Otra técnica, de menor precisión, es la de unión crecida. Consiste en doparalternativamente con impurezas P y N el baño del semiconductor fundidodurante el proceso de crecimiento del cristal semilla.Finalmente la barra de cristal así obtenida se sierra en discos y se encapsulan.

Fig. 1- 3

La técnica de crecimiento epitaxial es la más exacta para controlar el espesor yel grado de dopado del cristal. Sobre una lámina o substrato de semiconductor

puro se depositan nuevos átomos procedentes de una fase gaseosa. Este gas puede impurificarse con átomos donadores o aceptadores que substituyenalgunos átomos de la red cristalina.

Estructuras modificadasLa superficie del semiconductor, aunque sea completamente puro, forma unaruptura en la red cristalina (ver. Fig. 1.4). En la retícula total, cada átomo desilicio está unido a su vecino por dos enlaces de electrones, de forma tal quecada átomo se conecta a otros cuatro. En la superficie, el átomo está unido asólo tres, por lo que dos huecos no están llenos, quedando la superficie cargada

positivamente. Estas cargas atraen impurezas de la atmósfera dando problemasen la misma. Por lo tanto es importante limpiar a fondo el semiconductor en susuperficie y protegerlo mediante estabilizadores como óxidos y nitruros.


4/12

Capítulo I


Fig. 1- 4

Para reducir las corrientes superficiales y mejorar las características de rupturade los rectificadores, pueden utilizarse varias técnicas. La fig. 1-5 muestra elmétodo de biselado en las uniones P-N. En el biselado positivo, la parte que sereduce es la de menor impureza. Por el contrario en el biselado negativo la

parte que se reduce es la de mayor concentración de impurezas.Ya que el biselado reduce el área para los contactos, a veces se usa un doble

biselado, con ángulos diferentes, que proporciona una reducción menor, lo cualredunda en una mayor superficie de contacto.El efecto del biselado es aumentar la distancia o espesor aparente de la capa en

la superficie con relación al interior, dando un menor campo superficial y porlo tanto menores fugas y una mayor tensión de ruptura.


5/12

Capítulo I


Fig. 1- 5

El encapsulado del diodo debe cumplir tres requisitos: Aislar la pastilla respecto de la atmósfera para evitar su deterioro químico.

Proporcionar una conexión eléctrica sólida. Permitir la extracción del calor generado por las pérdidas eléctricas.

Para intensidades medias del orden de 50 A. se usa un encapsulado similar alque aparece en el siguiente corte:

Fig. 1- 6

Para intensidades mayores (por ej. 700 A.) se usan encapsulados tipo “Disco de

hockey”, refrigerados por ambas caras. Este encapsulado mejora hasta un 35%la capacidad de corriente de una misma pastilla, refrigerada por una sola cara,

pero no cambia las características para sobrecargas transitorias, que dependenexclusivamente de la pastilla.


6/12

Capítulo I


Fig. 1- 7

CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS

Diodo en estado de BloqueoAplicando una tensión inversa EB a los terminales de un diodo de manera queel cátodo K sea más positivo que el ánodo A, los portadores mayoritarios decada capa son atraídos hacia los extremos, ensanchando la zona de cargaespacial que se vacía de portadores. Aparece una barrera de potencial en launión, del mismo valor aproximado que la tensión inversa U0. La corriente demayoritarios If cesa prácticamente y la de minoritarios Ig aumenta respecto a laque tenía con la unión en equilibrio, hasta el valor que le permite suconcentración, independiente de la tensión aplicada pero que crece con latemperatura. Esta corriente inversa de fugas es muy pequeña, por lo que puededecirse que el diodo no conduce o está bloqueado.

La fig. 1-8 representa la distribución de cargas en sentido axial, donde la líneade puntos representa la distribución con los extremos en cortocircuito. Porclaridad U0 se representó no mucho menor que UB.

En la región próxima a la zona de avalancha se definen cuatro tensiones proporcionadas por el fabricante:

Ui Tensión inversa de trabajo: Puede ser soportada en forma continuada sin peligro de calentamiento por avalancha

U p (U pr ) Tensión inversa de pico repetitivo: Puede ser soportada en picos de1ms. cada 10ms.

Un (U pnr ) Tensión inversa de pico no repetitivo: Puede ser soportada una solavez, en pico de 10ms. cada 10minutos.

Ur Tensión de ruptura: Si se alcanza el diodo puede destruirse o degradar suscaracterísticas


7/12

Capítulo I


Fig. 1- 8

.

Diodo en estado de conducciónAl aplicar una tensión directa EB (Ánodo positivo respecto al cátodo), los

portadores mayoritarios son empujados a la unión, pasando a la capa opuesta.La corriente de mayoritarios If aumenta enormemente respecto al valor enequilibrio. La de minoritarios Ig en sentido contrario se torna insignificante.

Cuando circula una corriente entre las zonas P y N se produce una caída de potencial UAK debido a resistencias internas y al potencial de unión, de sentidocontrario. Este potencial de unión disminuye con la temperatura.


8/12

Capítulo I


Fig. 1- 9

El fabricante define intensidades características en conducción:Im Intensidad media nominal : Máx. intensidad media para impulsos senoidalesde 180º (a una temperatura de cápsula generalmente de 110 ºC).

I p (I pr ) Intensidad de pico repetitivo: corriente que puede ser soportada con unaduración de 1ms cada 20ms.

I pu (I pnr ) Corriente de pico único o no repetitivo: Es el pico máx. de corrienteaplicable cada 10 min. Con una duración de 10ms.

Las pérdidas en conducción directa se expresan por

0

1 T AK A

P u i dt

T

Reemplazando u AK por la del circuito equivalente

2

0 00

1( )

T

A A Am A P U ri i dt U I rI

T

Donde IAm es el valor medio de iA e IA el valor eficaz.

El fabricante provee para un mejor cálculo curvas como la fig. 1-10, ya quetomando como variable la corriente media IAm, la corriente eficaz IA aumenta

para ángulos de conducción pequeños.


9/12

Capítulo I


Fig. 1- 10

CARACTERÍSTICAS DINÁMICASRecuperación InversaEl paso del estado de conducción al de bloqueo no se efectúa instantáneamente.El diodo al conducir una corriente directa I, está saturado de portadoresmayoritarios (con mayor densidad a mayor I). Si el circuito externo fuerza laanulación de la corriente con diA/dt para llevar al diodo al estado de bloqueo,

resulta que después del paso por cero, existen aún portadores en la unión permitiendo el paso de corriente en sentido inverso.La tensión entre ánodo y cátodo no se establece hasta después de un tiempo t a en que reaparece en la unión la zona de carga espacial. La corriente todavíatarda un tiempo tc en descender a un valor despreciable mientras vandesapareciendo los portadores en exceso.La fig. 1-11 muestra este proceso y la forma más exacta de calcular ta y tc.

ta tiempo de almacenamiento tc tiempo de caída tr = ta + tc tiempo de recuperación inversa

qr carga de recuperación Ir intensidad de recuperación


10/12

Capítulo I


Fig. 1- 11

Nota: Algunos autores toman tc como el tiempo entre el pico de corriente I r yhasta que ésta se reduce al 20%.

Observando la fig. 1-11 se puede decir que:21 1 1

2 2 2

r

r r a r c r r r

r

qq I t I t I t I

t

También se puede expresar Ar a

di I t

dt

2 2 A r r

a a r

Ar

di q qt t t

didt t

dt

Sict es despreciable frente a

at resulta que

r at t , luego

La recuperación inversa es un fenómeno no deseado, porque implicacalentamiento del diodo, sometido a una punta de potencia en ese instante y aque el mismo disminuye la eficiencia del circuito en general.

2 r r

A

qt

di

dt

dt

diq I

Ar r 2


11/12

Capítulo I


Los tr son del orden de los 10 S para los diodos rectificadores normales, de 2a 0.5 S para los fast y prácticamente nulo para los Schottky.

La fig. 1-12 muestra el efecto de la frecuencia en un diodo rectificador.

Fig. 1- 12

Recuperación directaOtro fenómeno de retardo, pero de menor importancia es el que ocurre cuando el diodo pasa de

bloqueo a conducción. Los portadores mayoritarios tardan un tiempo finito en inundar la zonade carga espacial, estableciendo el potencial U0. Mientras tanto aparece entre ánodo y cátodoun potencial que tiende a poner en conducción al diodo.Fig. 1- 13


12/12

Capítulo I


trd tiempo de recuperación directaUr tensión de recuperación directatrd

capítulo i - diodo

Documents