Ing Electrica Trayecto 1 II Trimestre

Aldea Tamanaco.

Ingeniería Eléctrica.

4to Trimestre

· FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA I

TEMA 2

TEOREMA DE SEMICONDUCTORES.

El Diodo, Polarización en Sentido Directo, Polarización en Sentido Inverso, Características De Un Diodo En Unión PN, Representación Simbólica del Diodo, Resistencias del Diodos, Resistencia Estática, Resistencia Dinámica, Influencia De La Temperatura Sobre Las Propiedades De La Unión, Influencia de la temperatura sobre la corriente de Saturación S, Influencia de la temperatura sobre la tensión directa a los bornes de la unión, Esquema Equivalente del Diodo en Régimen Alterno, Capacidad de Agotamiento o de Transición, Capacidad de Difusión, Modelos o Aproximaciones del Diodo, Modelo Ideal, Modelo de Caída de Tensión Constante, Modelo Lineal por Tramos, Parámetros y Especificaciones Eléctricas De Los Diodo, Verificación del Estado de un Diodo.

EL DIODO.

Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido. Este término generalmente se usa para referirse al diodo semiconductor, el más común en la actualidad; consta de una pieza de cristal semiconductor conectada a dos terminales eléctricos. El diodo de vacío (que actualmente ya no se usa, excepto para tecnologías de alta potencia) es un tubo de vacío con dos electrodos: una lámina como ánodo, y un cátodo.

Fig: 01

Ánodo / Cátodo

Símbolo del Diodo

De forma simplificada, la curva característica de un diodo (I-V) consta de dos regiones: por debajo de cierta diferencia de potencial, se comporta como un circuito abierto (no conduce), y por encima de ella como un circuito cerrado con una resistencia eléctrica muy pequeña. Debido a este comportamiento, se les suele denominar rectificadores, ya que son dispositivos capaces de suprimir la parte negativa de cualquier señal, como paso inicial para convertir una corriente alterna en corriente continua. Su principio de funcionamiento está basado en los experimentos de Lee De Forest.

Los primeros diodos eran válvulas o tubos de vacío, también llamados válvulas termoiónicas constituidas por dos electrodos rodeados de vacío en un tubo de cristal, con un aspecto similar al de las lámparas incandescentes. El invento fue desarrollado en 1904 por John Ambrose Fleming, empleado de la empresa Marconi, basándose en observaciones realizadas por Thomas Alva Edison.

Al igual que las lámparas incandescentes, los tubos de vacío tienen un filamento (el cátodo) a través del cual circula la corriente, calentándolo por efecto Joule. El filamento está tratado con óxido de bario, de modo que al calentarse emite electrones al vacío circundante los cuales son conducidos electrostáticamente hacia una placa, curvada por un muelle doble, cargada positivamente (el ánodo), produciéndose así la conducción. Evidentemente, si el cátodo no se calienta, no podrá ceder electrones. Por esa razón, los circuitos que utilizaban válvulas de vacío requerían un tiempo para que las válvulas se calentaran antes de poder funcionar y las válvulas se quemaban con mucha facilidad.

Aunque el diodo semiconductor de estado sólido se popularizó antes del diodo termoiónico, ambos se desarrollaron al mismo tiempo.

Fig: 02

Símbolo del Diodo al Vacío

En 1873 Frederick Guthrie descubrió el principio de operación de los diodos térmicos. Guhtrie descubrió que un electroscopio cargado positivamente podría descargarse al acercarse una pieza de metal caliente, sin necesidad de que éste lo tocara. No sucedía lo mismo con un electroscopio cargado negativamente, reflejando esto que el flujo de corriente era posible solamente en una dirección.

Independientemente, el 13 de febrero de 1880 Thomas Edison re-descubre el principio. A su vez, Edison investigaba por qué los filamentos de carbón de las bombillas se quemaban al final del terminal positivo. Él había construido una bombilla con un filamento adicional y una con una lámina metálica dentro de la lámpara, eléctricamente aislada del filamento. Cuando usó este dispositivo, él confirmó que una corriente fluía del filamento incandescente a través del vació a la lámina metálica, pero esto sólo sucedía cuando la lámina estaba conectada positivamente.

Edison diseñó un circuito que reemplaza la bombilla por un resistor con un voltímetro de DC. Edison obtuvo una patente para este invento en 1884. Aparentemente no tenía uso práctico para esa época. Por lo cual, la patente era probablemente para precaución, en caso de que alguien encontrara un uso al llamado Efecto Edison.

Aproximadamente 20 años después, John Ambrose Fleming (científico asesor de Marconi Company y antiguo empleado de Edison) se dio cuenta que el efecto Edison podría usarse como un radio detector de precisión. Fleming patentó el primer diodo termoiónico en Gran Bretaña el 16 de noviembre de 1904.

En 1874 el científico alemán Karl Ferdinand Braun descubrió la naturaleza de conducir por una sola dirección de los cristales semiconductores. Braun patentó el rectificador de cristal en 1899. Los rectificadores de óxido de cobre y selenio fueron desarrollados para aplicaciones de alta potencia en la década de los 1930.

El científico indio Jagdish Chandra Bose fue el primero en usar un cristal semiconductor para detectar ondas de radio en 1894. El detector de cristal semiconductor fue desarrollado en un dispositivo práctico para la recepción de señales inalámbricas por Greenleaf Whittier Pickard, quién inventó un detector de cristal de silicio en 1903 y recibió una patente de ello el 20 de noviembre de 1906. Otros experimentos probaron con gran variedad de sustancias, de las cuales se usó ampliamente el mineral galena. Otras sustancias ofrecieron un rendimiento ligeramente mayor, pero el galena fue el que más se usó porque tenía la ventaja de ser barato y fácil de obtener. Al principio de la era del radio, el detector de cristal semiconductor consistía de un cable ajustable (el muy nombrado bigote de gato) el cual se podía mover manualmente a través del cristal para así obtener una señal óptima. Este dispositivo problemático fue rápidamente superado por los diodos termoiónicos, aunque el detector de cristal semiconductor volvió a usarse frecuentemente con la llegada de los económicos diodos de germanio en la década de 1950.

En la época de su invención, estos dispositivos fueron conocidos como rectificadores. En 1919, William Henry Eccles acuñó el término diodo del griego dia, que significa separado, y ode (de ὅδος), que significa camino.

¿QUÉ ES EL NIVEL DE FERMI?

El “nivel de fermi” es un término empleado para describir la mayor concentración de niveles de energía que, teóricamente, pueden alcanzar los electrones a una temperatura, también teórica, de 0º K (cero grado Kelvin o “cero absoluto”). A dicha temperatura se supone que cesa completamente todo el movimiento electrónico en los átomos que componen las moléculas de un cuerpo cualquiera.

En un semiconductor diodo sin energizar, el “nivel de fermi” se opone a que los electrones libres que se encuentran presentes en la parte negativa (N) puedan atravesar la barrera de potencial formada en el punto de unión “p-n”, lo que les impide saltar a la parte positiva (P) hasta tanto no reciban la suficiente carga energética que normalmente procede de una fuente de fuerza electromotriz externa, como una batería, por ejemplo. Una vez que los electrones reciban la energía necesaria podrán superar el “nivel de fermi” y atravesar la barrera de potencial para unirse a los huecos existentes en la parte positiva (P) del diodo.

Un símil entre lo que ocurre con un semiconductor diodo sin energizar y el nivel de fermi sería algo así como tener sumergido en un mar cubierto de hielo un cuerpo cualquiera carente de la suficiente energía como para poder ascender, romper la capa de hielo y salir a la superficie.

El nivel de fermi recibe ese nombre en honor al destacado físico italiano Enrico Fermi (Roma, Italia, 1901 – Chicago, EE.UU., 1954).

Polarización en Sentido Directo.

Cuando polarizamos un diodo de forma directa, el polo positivo de la batería rechaza los huecos o agujeros contenidos en la región "P" (ánodo del diodo), y los obliga a dirigirse al empalme "p-n". En esas condiciones, la “zona de deplexión” se reduce por completo, por lo que los electrones en exceso en el material negativo o cátodo adquieren la suficiente energía como para poder atravesar la barrera de potencial existente en el empalme "p-n".

De esa forma los electrones penetran en la región "P" de la parte positiva del diodo para combinarse ahí con los huecos o agujeros. Al mismo tiempo la atracción que ejerce el polo positivo de la batería sobre los electrones (negativos) provoca que estos salten o se desplacen de hueco en hueco a través de esa mitad del diodo y recorran toda la región semiconductora "P". Así, los electrones que cede la batería o fuente de energía eléctrica a partir de su polo negativo (–), retornan a su polo positivo (+) después de atravesar el diodo. De esa manera se restablece el equilibrio electrónico interno de la propia batería, el cual se ve continuamente alterado durante todo el tiempo que se encuentre conectada al circuito cediendo electrones a la región “N” del diodo.

Fig: a)

Fig: b)

Fig: c)

Fig: 03

En la Figura: 03 a) se puede ver un circuito electrónico formado por un diodo de silicio, una pila o. batería, una lámpara LED en función de consumidor, un interruptor y un miliamperímetro. Como todavía el circuito se encuentra abierto (no se ha accionado el interruptor), la corriente eléctrica no circula. En la Figura: 03 b) se ha accionado el interruptor y de acuerdo con polaridad de la batería, el diodo se polariza de forma directa permitiendo el paso de la corriente a través del circuito, por lo que la lámpara LED se enciende y la aguja del miliamperímetro se mueve indicando que la corriente eléctrica está circulando. En la Figura: 03 c) se ha cambiado la conexión de la batería en el circuito, por tanto la polaridad también queda invertida. En esta ocasión, aunque el interruptor se accione, se puede observar que la lámpara LED no se enciende y la aguja del miliamperímetro no muestra circulación de corriente eléctrica alguna (se mantiene indicando “0” mA), pues al haberse cambiado la polaridad de la batería el diodo se polariza de forma inversa impidiendo que la corriente eléctrica circule por el circuito. El efecto que se obtiene es el mismo que si no se hubiera accionado el interruptor.

Polarización en Sentido Inverso.

En la parte de arriba de la Figura: 03 b) se representa el esquema de un diodo energizado en “polarización inversa”. Como se puede observar, el polo positivo de la batería se encuentra conectado al cátodo “K” y el polo negativo al ánodo “A”. Esta conexión impide que la corriente de electrones que suministra la batería u otra fuente de fuerza electromotriz puedan circular en el sentido que indican las flechas y atravesar el diodo, por lo que no se puede completar el circuito eléctrico. En definitiva un diodo polarizado de forma inversa impide que la corriente eléctrica pueda fluir en sentido contrario por lo que no puede atravesarlo, ni completarse tampoco la circulación de corriente a través del circuito.

Características De Un Diodo En Unión PN.

Se denomina unión PN a la estructura fundamental de los componentes electrónicos comúnmente denominados semiconductores, principalmente diodos y transistores BJT. Está formada por la unión metalúrgica de dos cristales, generalmente de Silicio (Si), aunque también se fabrican de Germanio (Ge), de naturalezas P y N según su composición a nivel atómico. Estos tipos de cristal se obtienen al dopar cristales de metal puro intencionadamente con impurezas, normalmente con algún otro metal o compuesto químico.

· Tensión umbral de codo o de partida (Vγ): 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.

Fig: 04

· Corriente máxima (Imax): Es la intensidad de corriente máxima que puede conducir el diodo sin fundirse por el efecto Joule. Dado que es función de la cantidad de calor que puede disipar el diodo, depende sobre todo del diseño del mismo.

· Corriente inversa de saturación (Is): 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.

· Corriente superficial de fugas: Es la pequeña corriente que circula por la superficie del diodo (ver polarización inversa), esta corriente es función de la tensión aplicada al diodo, con lo que al aumentar la tensión, aumenta la corriente superficial de fugas.

· Tensión de ruptura (Vr): Es la tensión inversa máxima que el diodo puede soportar antes de darse el efecto avalancha.

Teóricamente, al polarizar inversamente el diodo, este conducirá la corriente inversa de saturación; en la realidad, a partir de un determinado valor de la tensión, en el diodo normal o de unión abrupta la ruptura se debe al efecto avalancha; no obstante hay otro tipo de diodos, como los Zener, en los que la ruptura puede deberse a dos efectos:

· 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 resultado es una avalancha de 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.

Representación Simbólica del Diodo.

Al dispositivo así obtenido se le denomina diodo. Al extremo p, se le denomina ánodo, representándose por la letra “A”, mientras que la zona n, el cátodo, se representa por la letra “C”. 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.

A (p)

C (n)

REPRESENTACIÓN SIMBÓLICA DEL DIODO PN

Resistencias del Diodos.

Existen tres aproximaciones muy usadas para los diodos de silicio, y cada una de ellas es útil en ciertas condiciones.

1. APROXIMACIÓN (EL DIODO IDEAL).

La exponencial se aproxima a una vertical y una horizontal que pasan por el origen de coordenadas. Este diodo ideal no existe en la realidad, no se puede fabricar por eso es ideal.

Polarización directa: Es como sustituir un diodo por un interruptor cerrado.

Polarización inversa: Es como sustituir el diodo por un interruptor abierto.

Como se ha visto, el diodo actúa como un interruptor abriéndose o cerrándose dependiendo si está en inversa o en directa. Para ver los diferentes errores que cometeremos con las distintas aproximaciones vamos a ir analizando cada aproximación.

EJEMPLO:

En polarización directa el circuito queda representado de la siguiente manera:

2. APROXIMACIÓN.

La exponencial se aproxima a una vertical y a una horizontal que pasan por 0,7 V (este valor es el valor de la tensión umbral para el silicio, porque suponemos que el diodo es de silicio, si fuera de germanio se tomaría el valor de 0,2 V).

El tramo que hay desde 0 V y 0,7 V es en realidad polarización directa, pero como a efectos prácticos no conduce, se toma como inversa. Con esta segunda aproximación el error es menor que en la aproximación anterior.

Polarización directa: La vertical es equivalente a una pila de 0,7 V.

Polarización inversa: Es un interruptor abierto.

EJEMPLO: Resolveremos el mismo circuito de antes pero utilizando la segunda aproximación que se ha visto ahora. Como en el caso anterior lo analizamos en polarización directa:

Como se ve estos valores son distintos a los de la anterior aproximación, esta segunda aproximación es menos ideal que la anterior, por lo tanto es más exacta, esto es, se parece más al valor que tendría en la práctica ese circuito.

3. APROXIMACIÓN.

La curva del diodo se aproxima a una recta que pasa por 0,7 V y tiene una pendiente cuyo valor es la inversa de la resistencia interna.

El estudio es muy parecido a los casos anteriores, la diferencia es cuando se analiza la polarización directa:

EJEMPLO: En el ejemplo anterior usando la 3ª aproximación, tomamos 0,23 W como valor de la resistencia interna.

Esta tercera aproximación no merece la pena usarla porque el error que se comete, con respecto a la segunda aproximación, es mínimo. Por ello se usará la segunda aproximación en lugar de la tercera excepto en algún caso especial.

Para elegir que aproximación se va a usar se tiene que tener en cuenta, por ejemplo, si son aceptables los errores grandes, ya que si la respuesta es afirmativa se podría usar la primera aproximación. Por el contrario, si el circuito contiene resistencias de precisión de una tolerancia de 1 por 100, puede ser necesario utilizar la tercera aproximación. Pero en la mayoría de los casos la segunda aproximación será la mejor opción.

La ecuación que utilizaremos para saber que aproximación se debe utilizar es esta:

Fijándonos en el numerador se ve que se compara la VS con 0.7 V. Si VS es igual a 7 V, al ignorar la barrera de potencial se produce un error en los cálculos del 10 %, si VS es 14 V un error del 5 %, etc...

Si se ve el denominador, si la resistencia de carga es 10 veces la resistencia interna, al ignorar la resistencia interna se produce un error del 10 % en los cálculos. Cuando la resistencia de carga es 20 veces mayor el error baje al 5 %, etc...

Resistencia Estática.

http://html.rincondelvago.com/diodos-semiconductores_2.html

Fig: 04

Prof. Nicolás España. Marzo, 2013. Página: 7