Cap VII 1 - Diodos

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TECNOLOGÍA ELÉCTRICA 2
Diodos
Ingeniería Industrial y de Sistemas
Facultad de Ingeniería
Prof: Ing. Paul Villar Yacila
1
Teoría de semiconductores - Resumen
Número atómico y estructura atómica de los materiales (orbitales).
Electrones libres.
Diagramas equivalentes.
Enlaces covalentes.
Portadores (electrones libres y huecos).
Semiconductor intrínseco.
Semiconductor extrínseco.
Impurezas pentavalentes o donadoras (e- libres).
Impurezas trivalentes o aceptadores (huecos).
Diodos - Introducción
Clave: Unión P-N!!!
Unión P-N  Origen de dispositivos semiconductores (diodos, transistores, integrados en general)
Semiconductor tipo P – no polarizado
El dopado de un semiconductor intrínseco a través de la inserción de una átomo trivalente crea ‘huecos’  semiconductor tipo P
Huecos son considerados portadores de carga (ión positivo)
Huecos  portadores mayoritarios
Electrones libres  portadores minoritarios
Semiconductor tipo P – polarizado
Al ejercer una diferencial de potencia (polarizar) un semiconductor tipo p, los electrones fluirán por los huecos hacia la placa positiva.
Interior del semiconductor, carga positiva (huecos) ‘se mueve’ hacia la placa negativa.
Semiconductor tipo N – no polarizado
El dopado de un semiconductor intrínseco a través de la inserción de una átomo pentavalente libera electrones de su(s) última(s) órbita(s)  semiconductor tipo N
Electrones libres son (obviamente) portadores de carga (ión negativo)
Electrones libres  portadores mayoritarios
Huecos  portadores minoritarios
Semiconductor tipo N – polarizado
Sometemos al semiconductor tipo N a una tensión (polarización), los electrones libres se mueven hacia el terminal positivo.
Otro modo, carga positiva (huecos) ‘se mueve’ hacia la placa negativa.
Semiconductor tipo N – polarizado
Los huecos se van ‘recombinando’ con los electrones provenientes del terminal negativo de la batería.
Una vez alcanzando el equilibrio, todos los huecos se han ‘llenado’ queda como un cristal intrínseco puro  AISLANTE.
En el equilibrio, los electrones ya no pasan: Aislante perfecto.
Semiconductores tipo P y tipo N
Un semiconductor tipo P tiene impurezas aceptadoras y huecos, que al ejercer una corriente sobre él, cada hueco acepta un electrón del exterior y permite que fluya, es decir, se comporta como conductor y por tanto tiene una resistencia pequeña.
El semiconductor tipo N tiene impurezas con electrones mayoritarios que al ejercer una corriente a través de el se comporta como aislante y por tanto con una resistencia grande. 
Unión P - N
Diodo no polarizado
Uniendo un SC tipo P con uno de tipo N, sin polarizar (sin voltaje aplicado), se tiene:
Inicialmente los electrones libres del SC tipo N tienden a pasar al otro medio (SC tipo P) para emparejarse con un hueco.
Electrones libres se difunden (se mueven en todas las direcciones).
Electrones libres se convierten en electrones de valencia.
En el equilibrio se tendrá una zona de deplexión/agotamiento/empobrecimiento.
Esta región es una zona sin portadores, pero en él existe un campo eléctrico (E)
Diodo no polarizado
En ausencia de un voltaje de polarización aplicado, el flujo neto de carga en cualquier dirección para un diodo semiconductor es cero.
Diodo no polarizado – Potencial de barrera
Una vez alcanzado el equilibrio, la zona de deplexión presenta un campo eléctrico producto de la ubicación de los iones exteriores y comunes de los materiales tipo P y N.
Diodo no polarizado – Potencial de barrera
Al pasar un electrón de la zona N a la zona P hace que ambas zonas se carguen: una negativa y una positiva.
Toma el nombre de barrera, porque una vez que se ha alcanzando el equilibrio, la zona de deflexión impide el paso de electrones de una zona (N) a otra (P).
Pero se pueden pasar electrones entre zonas, si es que se vence dicho potencial de barrera (polarización del diodo)
Este potencial de barrera depende básicamente de 3 factores:
Nivel de dopado
Temperatura
Material (Si, Ge, etc.)
Diodo polarizado
Polarización inversa, tensión aplicada al diodo es negativa (VD < 0 V)
Polarización directa, tensión aplicada al diodo es positiva (VD > 0 V)
Existen dos formas de polarizar un diodo:
+ se conecta al material tipo N
- se conecta al material tipo P
+ se conecta al material tipo P
- se conecta al material tipo N
Polarización inversa
La zona de deplexión experimentará un ensanchamiento ya que:
Electrones libres del material tipo N son atraídos por el potencial positivo del voltaje aplicado. 
El número de huecos del material tipo P se moverán hacia la izquierda (terminal negativo).
Zona de deplexión más ancha  aumento de potencial de barrera!!!
Zona de deplexión se ensancha al infinito? NO!!!
Equilibrio  diferencia de potencial interior sea la misma que la tensión aplicada (dentro de los límites de los materiales)
Se ensancha hasta el equilibrio!
Polarización inversa – corriente de saturación
Existe corriente en el diodo polarizado en inversa: corriente inversa de saturación ().
rara vez es mayor a unos cuantos μA excepto para el caso de dispositivos de alta potencia. De hecho, en años recientes su nivel se encuentra en el rango de los nA para los dispositivos de Si y en el rango de los μA para los de Ge. 
Saturación proviene del hecho de que alcanza rápidamente su máximo nivel y de que no cambia de forma importante con incrementos de potencial de polarización inversa.
Polarización inversa – problemas
Ruptura
Sucede cuando la tensión aplicada al diodo supera a su tensión máxima admisible en inversa.
Diodo se destruye!!!
Generalmente: Vrupt > 50 V (Dato de fabricante)
Hace que los electrones libres se muevan con gran energía, ocasionando colisiones contra los electrones de valencia, convirtiéndoles en libres (efecto avalancha) provocando que la conducción del diodo.
El diodo conduce, pero sin control (pierde propiedades).
Se puede limitar este efecto, colocando una resistencia (?)
Polarización directa
Los electrones libres del material tipo N y los huecos del material tipo P se recombinarán con los iones cercanos a la frontera y el ancho de la región de agotamiento se reduce.
Un electrón del material tipo N ahora ‘advierte’ una barrera más reducida en la unión debido a una fuerte atracción ocasionada por el potencial positivo aplicado al material tipo P.
Polarización directa
A medida la magnitud de la polarización se incrementa, la región de agotamiento continuará disminuyendo su amplitud hasta que un grupo de electrones pueda atravesar la unión, con un incremento exponencial de la corriente como resultado.
El movimiento de electrones libres de N hacia P y la recombinación de los nuevos huecos creados en N, crea un flujo de cargas a lo largo del diodo, posibilitando el paso de corriente eléctrica continua (mismo sentido)
Caso especial - LED
Light Emitting Diode
Se induce que los electrones salten a orbitales mayores (ganan en energía potencial). Al regreso a sus posiciones iniciales (equilibrio/reposo), estos electrones liberan la energía ganada.
Esa devolución de energía puede ser hecha en forma de calor, luz u otro tipo de radiación.
En un LED, la tensión aplicada eleva a los electrones que componen al diodo a niveles superiores de energía, cuando estos electrones caen a niveles inferiores, desprenden luz.
Curva característica de un diodo
Diodo es un dispositivo no lineal!
Diodos – Tensión de umbral
Tensión umbral:
Es la tensión a partir de la cual la corriente empieza a incrementarse rápidamente y ocurre en polarización directa.
Se considera que esta tensión es igual al potencial de barrera. 
Los análisis de circuitos con diodos se dirigen normalmente a determinar si la tensión del diodo es mayor o menor que la tensión umbral. Si es mayor, el diodo conduce fácilmente; si es menor, lo hace con pobreza.
Diodos – Representación gráfica
Ánodo: Terminal positivo (P)
Cátodo: Terminal negativo (N)
Diodo polarizado en directa conducirá corriente en el sentido de la flecha.
Primera aproximación
Es la más simple. Consiste en suponerque en la zona directa el diodo se comporta como un conductor perfecto (resistencia nula) y en la zona inversa como un aislante perfecto (resistencia infinita). 
Este diodo no existe en la realidad, no se puede fabricar por eso es ideal. Cuando la tensión es muy elevada y la corriente muy pequeña el diodo real se comporta como un diodo ideal. 
Diodo – Modelo/Representación
Diodo – Modelo/Representación
Segunda aproximación
No hay corriente hasta que aparecen 0.7 V en el diodo. El diodo se asemeja a un interruptor en serie con una barrera de potencial de 0.7 V.
Cuando conduce, la tensión en el dispositivo será 0.7 V para cualquier corriente directa/continua.
Diodo – Modelo/Representación
Tercera aproximación
Se incluye la resistencia interna Después de que el diodo empieza a conducir, la tensión aumenta lineal o proporcionalmente con los incrementos de la corriente. 
Cuando mayor sea la corriente, mayor es la tensión, al tener que incluirse la caída de tensión en la resistencia interna a la tensión total del diodo. 
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Resumen del diodo
=
Recta de carga
Es una herramienta empleada para hallar el valor exacto de la corriente y la tensión del diodo.
La corriente a través de la resistencia es:
Como los componentes están conectados en serie, la corriente es la misma a través del diodo.
En una gráfica vs se dibuja la recta de carga sobre la curva de funcionamiento del diodo. 
Recta de carga
El punto de intersección, conocido como punto Q, representa una solución simultánea. En otras palabras, el punto Q es el único punto en la gráfica que funciona a la vez para el diodo y para el circuito.
Aplicaciones – Rectificador de media onda
Aplicaciones – Rectificador de onda completa
Aplicaciones – Rectificador de onda completa
Aplicaciones – Rectificador de onda completa
Aplicaciones – Rectificador de onda completa
FIN