sesion_3 diodos 2009

Andrs Morocco Apfata


DIODOS SEMICONDUCTORES


INTRODUCCIONEn esta sesin comenzaremos el estudio de los circuitos no lineales, haremosreferencia a las propiedades qumicas de los materiales semiconductores, posteriormente definiremos las caractersticas del diodo, las formas de polarizacin de los mismos, tipos de diodos y finalmente aplicaciones electrnicas de los diodos.

OBJETIVO- Identificar las caractersticas de los diodos semiconductores.

Esta sesin aporta al logro del siguiente Resultado de la Carrera:

Los estudiantes aplican matemticas, ciencia y tecnologa en el diseo, instalacin, operacin y mantenimiento de sistemas elctricos.

Introduccin a los semiconductores



1. MATERIALES SEMICONDUCTORES

Los mejores conductores tienen un electrn de valencia, mientras que los mejores aislantes tienen 8 electrones de valencia.

Un semiconductor es un elemento con propiedades elctricas entre las de un conductor y un aislante por tanto los mejores semiconductores tienen 4 electrones de valencia.

Por efectos de temperatura en estos materiales hay electrones que se desligan de sus tomos quedando un electrn libre. La salida del electrn deja un vaco en el orbital de valencia que se denomina hueco (tomo sin electrn) estos huecos se constituyen en portadores de carga positiva.

recombinacin es la unin de un electrn libre y un hueco.


Semiconductores intrnsecosUn semiconductor intrnseco es un semiconductor puro, tienen el mismo nmero de electrones libres y el mismo nmero de huecos. A menudo a los electrones libres y huecos se denominan portadores.

Una forma de incrementar la conductividad de un semiconductor es mediante el dopaje (adulteracin). El dopaje consiste en aadir tomos de impurezas a un cristal intrnseco

Para incrementar el nmero de electrones libres se aaden tomos pentavalentes al cristal puro.

Para incrementar el nmero de huecos se aaden tomos que tengan slo tres electrones de valencia.



Semiconductores extrnsecosUn semiconductor se puede dopar para tener exceso de electrones libres o exceso de huecos, por tanto existen dos tipos de semiconductores dopados.

Semiconductor tipo N

Semiconductor tipo P

El silicio que ha sido dopado con impurezas pentavalentes (antimonio, arsnico y fsforo) se denomina semiconductor tipo n, donde n hace referencia a negativo. Los electrones libres son los portadores mayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios.

El silicio que ha sido dopado con impurezas trivalentes (Boro, galio e indio)se denomina semiconductor tipo p, donde p hace referencia a positivo. Los huecos sern los portadores mayoritarios y los electrones libres los portadores minoritarios.


2. EL DIODOUn diodo es la unin de dos zonas de material semiconductor, una de tipo N y la otra de tipo P, entre las dos se forma una zona llamada de agotamiento(Z.A.) donde es mnima o nula la presencia de portadores de carga.

P NANODO(A)

CATODO(K)



El diodo idealEl diodo ideal

Smbolo del diodo ideal

El diodo ideal es un dispositivo de dos terminales:

ID

VDID

VD+

+

+

Caracterstica del diodo ideal

+ +ID IDr a

CTODONODO

NODO CTODO

FSICAMENTE


ESTADOSa) Diodo en directo: Se comporta como un interruptor cerrado.

b) Diodo en inverso: Se comporta como un interruptor abierto.



POLARIZACION DE UN DIODOPOLARIZACIN DIRECTACuando el voltaje es pequeo y va aumentando, la zona de agotamiento se va estrechando hasta llegar a un valor llamado tensin de umbral donde desaparece para dar origen a una corriente elctrica a travs del diodo, entonces decimos que el diodo est en conduccin (el diodo se comporta como un interruptor cerrado).


POLARIZACION DE UN DIODOPOLARIZACIN INVERSAEl voltaje negativo aplicado al nodo atrae los huecos y el voltaje positivo aplicado al ctodo atrae los electrones por lo que la zona de agotamiento seensancha. Se dice entonces que el diodo se comporta como un interruptor abierto.



La polarizacipolarizacin directan directa se obtiene cuando se aplica un voltaje mms positivos positivo al nodonodo que al cctodotodo, mientras que la polarizacipolarizacin inversan inversa es cuando se aplica un voltaje ms negativo al nodonodo que al cctodotodo:

Polarizacin directa

Polarizacin inversa+ +

+A C +A C

VA>VC

VA



Un diodo se puede aproximar por una fuente de tensifuente de tensinncontinua VVDD (VD 0,7V para diodos de Si y VD 0,3V para diodos de Ge) cuando est polarizado directamente, y por un circuito abiertocircuito abierto cuando est polarizado inversamente.

+

+

E

+VD VRR

E+

+ +VD R

+

+

E

+R

+E

+VD VRR

+


Resolucin grfica de circuitos con diodos

V D

I D

+

+

A

B

V DI D E

R

DD VRIE +=

DD VRR

EI =

1)1(0 =

T

D

V

V

D eII

Es un mtodo de anlisis grfico, empleado cuando existen dispositivos no lineales.La recta de carga y la ecuacin no lineal del diodo deben satisfacerse mutuamente. (Grficamente ser el punto de interseccin de la recta con la curva caracterstica del diodo).



Interseccin: punto de operacin del diodo

Resolucin grfica de circuitos con diodos

La recta de carga no depende de la caracterstica del dispositivo. Slo depende de la tensin de alimentacin y del valor de la resistencia serie.


PRUEBA DE UN DIODOCon un multimetro analgico un diodo se prueba en la escala de resistencia

El funcionamiento de tal aparato de medida se basa en inyectar una corriente continua al elemento bajo prueba. Es muy importante conocer la polaridad de la batera interna del los multmetros analgicos en los cuales la punta negra del multmetro corresponde al terminal positivo de la batera interna y la punta roja corresponde al terminal negativo de la batera.



Las medidas se efectuarn colocando el instrumento en las escalas de resistencia y preferiblemente en las escalas ohm x 1, ohm x 10 tambin ohm x 100. Ascuando se intenta medir la resistencia de un diodo, se encontrarn dos valores totalmente distintos, segn el sentido de las puntas. Si la punta roja (negativo) se conecta a la zona N (ctodo del diodo) y la punta negra a la P (nodo), la unin se polariza en directo y se hace conductora. El valor indicado por el instrumento debe marcar un valor pequeo de resistencia (menor que 200).


Con un multmetro digital en la escala que corresponde al diodo (identificada por su smbolo) debe marcar el voltaje de umbral (0.5 a 0.7v para silicio) y en inverso debe marcar circuito abierto indicado en la mayora de multmetros con una "1" a la izquierda del display.

Por el contrario, cuando la punta roja se conecta a la zona P (nodo), y la negra a la zona N (ctodo), se esta aplicando una tensin inversa. La unin no conducir, y esto ser interpretado por el instrumento como una resistencia muy elevada (mayor a 1M).



DISIPACION DE POTENCIA DE UN DIODOPD = VD*ID

En conduccin se tiene un valor mximo de corriente:

V

PIF 7.0

max=

Ejemplo: Un diodo tiene una potencia mxima de 2W, si la tensin del diodo es de 1.5V y su corriente es de 0.75 A Cul es la disipacin de potencia? se destruir el diodo?

PD= (1.5V)(0.75A)= 1.125W es menor que la potencia mx.. Por tanto no se destruir.


ELECCIN DE UN DIODOPara seleccionar un diodo se deben conocer como mnimo los siguientes datos:

a) Corriente que va a conducir (pico o promedio)b) Voltaje inverso a que va a estar sometido.

c) Frecuencia de las seales.

En altas frecuencias se deben escoger diodos Fast SW y en casos donde se requiere que un diodo pase muy rpido de corte a conduccin se deben usar diodos Fast Recovery (restablecimiento rpido).



SMBOLOS DE LOS TIPOS DE DIODOS


Principales caractersticas comerciales1. Corriente mxima en directa, IFmax o IFM (DC forward current): Es la corriente continua mxima que puede atravesar el diodo en directa sin que este sufra ningn dao. Tres lmites:

Corriente mxima continua (IFM). Corriente de pico transitoria (Peak forward surge current), en la que se especifica

tambin el tiempo que dura el pico. Corriente de pico repetitivo (Recurrent peak forward current), en la que se

especifica la frecuencia mxima del pico.

2. Tensin de ruptura en polarizacin inversa (Breakdown Voltage, BV; Peak InverseVoltage, PIV): Es la tensin a la que se produce el fenmeno de ruptura por avalancha.

3. Tensin mxima de trabajo en inversa (Maximun Working Inverse Voltage): Es la tensin que el fabricante recomienda no sobrepasar para una operacin en inversa segura.

4. Corriente en inversa, IR (Reverse current): Es habitual que se exprese para diferentes valores de la tensin inversa

5. Cada de tensin en PD, VF (Forward Voltage): A veces no es 0.7 Volts.



CARACTERSTICAS TCNICAS


CARACTERSTICAS TCNICAS



Valores nominales de temperatura

Tstg = Indica los valores mximos y mnimos de la temperatura de almacenamiento.

Tj = Valor mximo de la temperatura que soporta la unin de los semiconductores.

TIPOS DE DIODOS DIODOS METAL-SEMICONDUCTOR.- Los ms antiguos son los de germanio con punta de tungsteno o de oro. Su aplicacin ms importante se encuentra en HF, VHF y UHF. Tambin se utilizan como detectores en los receptores de modulacin de frecuencia. produce una tensin mxima de 0,2 a 0,3v

El diodo Schottky tienen una respuesta notable a altas frecuencias, produce una tensin mxima de 0,2 a 0,3v


DIODOS RECTIFICADORES.- Su construccin est basada en la unin PNsiendo su principal aplicacin como rectificadores. Este tipo de diodos(normalmente de silicio) soportan elevadas temperaturas (hasta 200C en launin), siendo su resistencia muy baja y la corriente en tensin inversa muypequea.

Sus aplicaciones van desde elemento indispensable en fuentes de alimentacin como en televisin, aparatos de rayos X y microscopios electrnicos, donde deben rectificar tensiones altsimas.



RectificaciRectificacin de media ondan de media onda

+Vm

-Vm

RIR

Sea un circuito con un diodo ideal y una resistencia, excitado con una seal sinusoidal (de magnitud Vm varias veces superior a VD):

IRR

+

RIR=0

+Vm

-Vm


RectificaciRectificacin de media ondan de media onda

Si el voltaje de entrada es sinusoidal, el voltaje de salidavoltaje de salida(tensin sobre la resistencia) tendr la forma de una media media ondaonda:

El circuito presentado se conoce como rectificador de media onda.

RIR

+

Ve Vs

+Vm

-Vm

Ve

+Vm

Vs



RectificaciRectificacin de onda completan de onda completaAunque la onda resultante de un rectificador de media onda escontinuacontinua (no cambia de signo), dista mucho de ser un valor constante, como interesa tener en un circuito elctrico de CC. Una forma de mejorar la calidad de la onda continua resultante es a travs del rectificador de onda completarectificador de onda completa:

+Vm

-Vm

Ve Vm-VDVs

R


RectificaciRectificacin de onda completan de onda completa

Ve

+Vm

-Vm

VeVm-2VDVs

R

+

Vs

Una alternativa al circuito anterior sera:



DIODO RECTIFICADOR COMO ELEMENTO DE PROTECCIN.- Ladesactivacin de un rel provoca una corriente de descarga de la bobina ensentido inverso que pone en peligro el elemento electrnico utilizado para suactivacin. Un diodo polarizado inversamente cortocircuita dicha corriente yelimina el problema.El inconveniente que presenta es que la descarga de la bobina es ms lenta,as que la frecuencia a la que puede ser activado el rel es ms baja. Se lellama comnmente diodo volante.

DIODO RECTIFICADOR COMO ELEMENTO DE PROTECCION DE UNDIODO LED EN ALTERNA.- El diodo LED cuando se polariza en c.a.directamente conduce y la tensin cae sobre la resistencia limitadora, sin embargo, cuando se polariza inversamente, toda la tensin se encuentra en los extremos del diodo, lo que puede destruirlo.


DIODOS ZENER.- Se emplean para producir entre sus extremos una tensinconstante e independiente de la corriente que las atraviesa segn sus especificaciones. Su principal aplicacin es como regulador de tensin

circuito bsico para estabilizacin de tensiones



DIODOS LED (Light Emitting Diode).- Es un diodo que presenta uncomportamiento parecido al de un diodo rectificador sin embargo, su tensin de umbral, se encuentra entre 1,3 y 4v dependiendo del color del diodo.

Se utilizan como seal visual y en el caso de los infrarrojos en los mandos a distancia.


FOTODIODO.- Son dispositivos semiconductores construidos con una unin PN, sensible a la incidencia de la luz visible o infrarroja.Debido a su construccin se comportan como clulas fotovoltaicas, es decir, en ausencia de tensin exterior, generan una tensin muy pequea con el positivo en el nodo y el negativo en el ctodo.

DIODO DE CAPACIDAD VARIABLE (VARICAP).- Son diodos que basan su funcionamiento en el principio que hace que la anchura de la barrera de potencial en una unin PN varia en funcin de la tensin inversa aplicada entre sus extremos. Al aumentar dicha tensin, aumenta la anchura de esa barrera, disminuyendo as la capacidad del diodo. De este modo se obtiene un condensador variable controlado por tensin.

La aplicacin de estos diodos se encuentra en la sintona de TV, modulacin de frecuencia en transmisiones de FM y radio.



TIPOS DE ENCAPSULADOS DE SEMICONDUCTORES


LUZ DE EMERGENCIA



Ejercicios Calcular, la corriente a travs de la

resistencia.(VT=0.7 v), usar modelo simplificado.

sesion_3 diodos 2009

Documents