diodo union pn

Diapositiva 1

LA UNIÓN P-NLa unión p-n en circuito abierto

FUNDAMENTOS DE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS SEMICONDUCTORES

+

+

+

+

++

+

+

+

+

+

++

+

+

+

+

+

++

+-

+

-

-

-

-

+

+

+

+

-

--

-

+

+

+

-

-

-

-

+

+

+

+

++

+

-

-

-

-

-

-

-

+

+

+

+

++

+

-

-

-

-

A K

Zona de

deplexión

Unión

p n

Contacto óhmico

Iones de impurezas dadoras

Iones de impurezas aceptoras

Electrón

Hueco

Diapositiva 2

LA UNIÓN P-NLa unión p-n en polarización inversan Movimiento de portadoresn Corriente


+

+

+

+

++

+

+

+

+

+

++

+

+

+

+

+

++

+-

+-

-

-

-

+

+

+

+

-

-

-

- +

+

+

-

-

-

- +

+

+

+ +

+

+

+

++

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

K

+

A

_

MayoritariosMinoritarios

Diapositiva 3

LA UNIÓN P-NLa unión p-n en polarización directan Movimiento de portadoresn Corriente


+

+

+

+

++

+

+

+

+

+

++

+

+

+

+

+

++

+-

+-

-

-

-

+

+

-

- +

- +

+

+

+

++

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

+

+

++

+

MayoritariosMinoritarios

K_A +

Diapositiva 4

LA UNIÓN P-NPotencial de contacto y ancho de la región de transición de una unión p-n.


+_ XDensidad de carga

XCampo eléctrico

X

Potencial

A K

p n

ερ−=

2

2

dxVd

dxdxdV

E ∫=−=ερ

dxEV ∫−=

Barrera de potencial

_ ++_

_ +

E

-

_

Vo

Diapositiva 5

LA UNIÓN P-NBarrera de potencial y ancho de la región de transición de una unión p-n, con polarización inversa



XCampo eléctrico

X

Potencial

A K

p n

VVV oB +=

_ ++_

_ +

E

-

_

Vo

+_

VVB

+_I0

V

Diapositiva 6

LA UNIÓN P-NBarrera de potencial y ancho de la región de

transición de una unión p-n, con polarización directa



XCampo eléctrico

XPotencial

A K

p n

VVV oB −=

_ ++_

E

-

Vo

+ _V

V

VB

I

Diapositiva 7

LA UNIÓN P-NComponentes de corriente en polarización

directa


A K

p n

_ ++_

+ _V I

Concentración de portadores X0

nn

npo

pp

pno

Corriente

I

X0

Diapositiva 8

LA UNIÓN P-NEcuación de la unión: Hipótesis restrictivasn Ancho de la zona de transición despreciable

n En la zona de transición no hay generación de pares electrón-hueco

n Se desprecian las corrientes de fuga en la superficie del semiconductor ni corrientes transversales


Diapositiva 9

LA UNIÓN P-NEcuación de la unión: Deducción


pno

pn(x)

0 XdX

pn(0)

Pn(0)

Pn(x)nonn pxPxp += )()(

dxxdp

SqDxI nppn

)()( −=

)1( −

+= TV

V

eL

nD

L

pDqSI

n

pon

p

nop

HUECOS

pLx

nn ePxP−

×= )0()(

T

oV

VV

npo epp−

×= )0( Ley de la Unión

)1()0( −= TV

V

p

noppn e

L

pSqDI

ELECTRONES

)1()0( −= TV

V

n

ponnp e

L

nSqDI

Diapositiva 10

LA UNIÓN P-NCorriente inversa de saturaciónn Discrepancias del valor teórico y prácticon Dependencia


)(TfL

nD

L

pDqSI

n

pon

p

nopo =

+=

Diapositiva 11

DIODO SEMICONDUCTOREcuación de la característica tensión-intensidad

Representación gráfican Tensión umbral (Vγγ)n OFF<> Corten ON <> Conducción


)1( −= TVV

eII oη

V

I

0 Vγγ

Polarización inversa

Polarización directa

OFF ON

V V+ +- -

TVV

eII oη≅

oII −≅AA KK

Diapositiva 12

DIODO SEMICONDUCTORGermanio vs Silicio


V

I

0

Ge Si

0,2 0,6

Diapositiva 13

DIODO SEMICONDUCTOR


Ejercicio 1. Cálculo y representación de la característica de un diodo.

D A T O S INCOGNITAS

Semiconduc to r Sil icio Tens ión (V ) I n t e n s i d a d ( m A )

2 ,00 0 ,65 0,2868

In tens idad inv .de sa tur . (nA) 1 ,00 0 ,68 0,5123

Tempera tu ra ( ºK ) 300 0 ,71 0,9150

0 ,74 1,6342

0 ,77 2,9188

0 ,80 5,2130

0 ,83 9,3106

0 ,86 16,6291

0 ,89 29,7003

0 ,92 53,0458

η

Diapositiva 14

DIODO SEMICONDUCTOR


Ejercicio 2. Cálculo de la intensidad y tensión entre bornas de un diodo.

Método general de cálculo: Resolución del sistema formado por la recta de carga del circuito y la ecuación del diodo.

-

+

-+

VoV

R

ID

A

K

)1( −= TVoV

eII oη

oD VRIV +=

DATOS INCOGNITASSemiconductor Germanio Tensión entre bornas (V) Intensidad(mA)Tensión de la Fuente (V) 6,00 0,0000 3,0000Resistencia (Kilo-ohmios) 2,00 0,3262 2,8369

1,00 0,3247 2,8376Intensidad inv.de satur.(nA) 10,00 0,3247 2,8376Temperatura (ºK) 300 0,3247 2,8376

η

Método iterativo

Diapositiva 15

DIODO SEMICONDUCTORRespuesta de un diodo a la temperaturaReglas prácticas


V

I

0

T1 To>10

1

1

2)()(ott

ooo tItI−

×≅

1º07,0 −≅∆

∆C

TII

o

o

CmVTV

/º5,2−≅∆∆

Diapositiva 16

DIODO SEMICONDUCTOR


Ejercicio 3. Según la ecuación anterior la corriente inversa de saturacióndel germanio debería aumentar un 11%/ºC, pero experimentalmente obtenemos en el laboratorio que la variación práctica con la temperatura es alrededor del 7%/ºC, cuando aplicamos una tensión inversa de 6V siendo la corriente de 1µA. Esta situación se interpreta como si el diodo teórico estuviera en paralelo con una resistencia que representa las corrientes de fugas del dispositivo. Calcular esta resistencia.

Diapositiva 17

DIODO SEMICONDUCTOR


Ejercicio 4. La resistencia térmica del contacto mecánico del chasis de un diodo con su medio es de 0,1 mW/ºC, es decir, disipa 0,1 mW por cada grado de aumento de la temperatura. No se permite que la temperatura del diodo aumente por encima de la ambiente (25ºC) más de 20ºC. Si la corriente inversa de saturación es de 1µA a 25ºC y teniendo en cuenta que ésta se duplica por cada 10ºC de aumento, calcular la tensión inversa máxima que se puede aplicar al diodo.

Diapositiva 18

DIODO SEMICONDUCTORResistencia estática


V

I

V1 V2 V3

I2

I3

I1 F

FF I

VR =∞→=

R

RR I

VR

Diapositiva 19

DIODO SEMICONDUCTORResistencia dinámica o incremental


V

IαtagdI

dVr

1==

α∞→==

01

tagdIdV

r

αtagdIdV

r1

==

Diapositiva 20

DIODO SEMICONDUCTOR


Ejercicio 5. Un diodo ideal de germanio tiene a temperatura ambiente una resistencia estática de 5 Ω, siendo la intensidad en ese punto de 50 mA. Calcular la resistencia dinámica del diodo cuando se polariza directamente con una tensión de 0,3 V.

Diapositiva 21

DIODO SEMICONDUCTORCapacidad de transición


V

I

wS

dVdQ

CT ε==

V +-

A K

V +-

A K

Diapositiva 22

DIODO SEMICONDUCTOR


Ejercicio 6. Se usan con frecuencia diodos polarizados inversamente como condensadores variables gobernados por tensión. La capacidad de transición de un diodo de unión abrupta es de 12 pF a 6V . Hallar la disminución de capacidad cuando la polarización aumenta 1V.

Diapositiva 23

DIODO SEMICONDUCTORCapacidad de difusión


rDL

D

L

dVdq

Cn

n

p

pD

122

×

+==

V

I V +-

AK

V +-

AK

Diapositiva 24

DIODO SEMICONDUCTOR


Ejercicio 7. En un diodo de silicio en que el lado p está mucho más dopado que el lado n, la longitud de difusión es de 3x10-6 m., la movilidad de los huecos 500 cm2/V-s y la capacidad de difusión 2 nF. Calcular la intensidad de corriente que pasa por él a temperatura ambiente. Se desprecia la corriente inversa de saturación.

Diapositiva 25

DIODO DE RUPTURA O DE AVALANCHAEfecto de ruptura o de avalancha: temperaturaEfecto Zener: campo eléctrico


V

I

Vz

Zona de ruptura o de avalancha

Diapositiva 26

DIODO DE RUPTURA O DE AVALANCHA

Efecto de ruptura o de avalancha: temperatura



XCampo eléctrico

X

Potencial

A K

p n

oVV >>

_ ++_

_ +

E

-

_

Vo

+_

VVB

+_IV

Electrones con mayor energía térmica generan

huecos

Huecos con mayor energía térmica

generan electrones

Diapositiva 27


Efecto Zener: campo eléctrico



XCampo eléctrico

X

Potencial

A K

p n

oVV >>>

_ ++_

_ +

-

_

Vo

+_

VVB

+_IV

Electrones con mayor energía potencial generan

huecos

+++

____

+

Electrones con mayor energía potencial generan

huecos

Campo

intenso

Diapositiva 28

DIODO ZENER COMO REGULADOR DE TENSIÓN

Carga variable


I

Vz

Izmín.

Izmáx.

IVV

R Z−=

LLZ RICteV == .

.. CteICteV =⇒=

↑↓⇒↑⇒ ZLL IIR

↓↑⇒↓⇒ ZLL IIRSi

Si

V

V+

-

+-

VZ

R

RL

IL

IZ

IV+

-

+

-

VZ

R

IL

IZ

I

Diapositiva 29



Ejercicio 8. En un circuito regulador de tensión de acuerdo con los datos calcular las incógnitas.

DATOS INCOGNITAST e n s i ó n d e f u e n t e ( V ) 2 4 , 0 0 I n t e n s i d a d m á x . e n e l Z e n e r ( m A ) 8 0 , 0 0

I n t e n s i d a d m á x . d e c a r g a ( m A ) 1 0 0 , 0 0 P o t e n c i a m á x . d i s i p a d a Z e n e r ( W ) 0 ,96

I n t e n s i d a d m í n . d e c a r g a ( m A ) 3 0 , 0 0 Res i s tenc ia de regu lac ión (óhm ios ) 1 0 9 , 0 9

Tens ión de regu lac ión (V ) 1 2 , 0 0 R e s i s t e n c i a d e c a r g a m á x . ( ó h m i o s ) 4 0 0 , 0 0

I n t e n s i d a d m í n . d e l Z e n e r ( m A ) 1 0 , 0 0 R e s i s t e n c i a d e c a r g a m í n . ( ó h m i o s ) 1 2 0 , 0 0

Diapositiva 30


Fuente variable


I

Vz

Izmín.

Izmáx.

IVV

R Z−=

.. CteICteV LZ =⇒=.. CteICteV ≠⇒≠

↑↑⇒↑⇒ ZIIV

↓↓⇒↓⇒ ZIIV

Si

Si

V

V+

-

+

-

VZ

R

RL

IL

IZ

IV+

-

+

-

VZ

R

IL

IZ

I

Diapositiva 31




DATOS INCOGNITAST e n s i ó n d e f u e n t e m í n i m a ( V ) 2 4 , 0 0 R e s i s t e n c i a d e c a r g a ( ó h m i o s ) 4 0 0 , 0 0

T e n s i ó n d e f u e n t e m á x i m a ( V ) 1 0 0 , 0 0 I n t e n s i d a d m á x . e n e l Z e n e r ( m A ) 2 1 2 , 0 0

I n t e n s i d a d e n l a c a r g a ( m A ) 3 0 , 0 0 P o t e n c i a m á x . d i s i p a d a Z e n e r ( W ) 2 ,54

T e n s i ó n d e r e g u l a c i ó n ( V ) 1 2 , 0 0 R e s i s t e n c i a d e r e g u l a c i ó n ( ó h m i o s ) 3 6 3 , 6 4

I n t e n s i d a d m í n . d e l Z e n e r ( m A ) 3 ,00

Diapositiva 32


Carga y fuente variables


I

Vz

Izmín.

Izmáx.

..

.

..

.

ZmínLmáx

Zmín

ZmáxLmín

Zmáx

IIVV

IIVV

R+−

=+−

=

.. CteICteV ≠⇒≠LLZ RICteV == .

RL

V

V+

-

+

-

VZ

R

RL

IL

IZ

IV+

-

+

-

VZ

R

IL

IZ

I

Diapositiva 33




DATOS INCOGNITAST e n s i ó n d e f u e n t e m í n i m a ( V ) 2 4 , 0 0 Res i s tenc ia de regu lac ión (óhm ios ) 1 0 9 , 0 9

T e n s i ó n d e f u e n t e m á x i m a ( V ) 1 0 0 , 0 0 I n t e n s i d a d m á x . e n e l Z e n e r ( m A ) 7 7 6 , 6 7

I n t e n s i d a d m á x . d e c a r g a ( m A ) 1 0 0 , 0 0 P o t e n c i a m á x . d i s i p a d a Z e n e r ( W ) 9 ,32

I n t e n s i d a d m í n . d e c a r g a ( m A ) 3 0 , 0 0 R e s i s t e n c i a d e c a r g a m á x . ( ó h m i o s ) 4 0 0 , 0 0

Tens ión de regu lac ión (V ) 1 2 , 0 0 R e s i s t e n c i a d e c a r g a m í n . ( ó h m i o s ) 1 2 0 , 0 0

I n t e n s i d a d m í n . d e l Z e n e r ( m A ) 1 0 , 0 0

Diapositiva 34


Característica con pendiente: caso general


I

∆∆Vz

Izmín.

Izmáx.

..

..

..

..

ZmínLmáx

Zmínmín

ZmáxLmín

Zmáxmáx

IIVV

IIVV

R+−

=+−

=

.. CteICteV ≠⇒≠.CteVZ ≠

RL

V

V+

-

+

-

VZ

R

RL

IL

IZ

IV+

-

+

-VZ

R

IL

IZ

I

r

Diapositiva 35



Ejercicio 11. En un circuito regulador de tensión de acuerdo con los datos calcular las incógnitas (análisis).

DATOS INCOGNITASTens ión de fuen te mín ima (V ) 20,00 Res is tenc ia de regu lac ión (óhmios ) 250,00

Tens ión de f uen te máx ima (V ) 25,00 Tens ión de regu lac ión máx . (V ) 10,77

Tens ión nom ina l Zene r (V ) 10,00 Tens ión de regu lac ión mín . (V) 10,09

Res is tenc ia de l Zener (óhmios ) 17,00 Potenc ia máx . d i s ipada Zener (W) 0,48

I n tens idad máx .de l Zener (mA) 45,00 I n tens idad mín . de ca rga (mA) 11,94

In tens idad mín . de l Zener (mA) 5,00 Res is tenc ia de ca rga mín . (óhmios ) 201,70

I n tens idad máx .de ca rga (mA) 50,00 Res i s tenc ia de ca rga máx . ( óhm ios ) 901,59

Diapositiva 36



Ejercicio 12. En un circuito regulador de tensión de acuerdo con los datos calcular las incógnitas (síntesis).

DATOS INCOGNITASTens ión de fuen te mín ima (V) 20,00 Res is tenc ia de regu lac ión (óhmios) 180,00

Tens ión de fuen te máx ima (V) 25,00 In tens idad máx.en e l Zener (mA) 68,17

I n tens idad máx .de ca rga (mA) 50,00 Potenc ia máx. d is ipada Zener (W) 0,72

I n tens idad mín .de ca rga (mA) 12,00 Resis tenc ia de l Zener (óhmios) 7,44

Tens ión de regu lac ión máx . (V) 10,57 Resis tenc ia de carga máx. (óhmios) 880,83

Tens ión de regu lac ión mín . (V) 10,10 Resis tenc ia de carga mín. (óhmios) 202,00

In tens idad mín . de l Zener (mA) 5,00 Tens ión Zener (V ) 10,06

diodo union pn

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