República Bolivariana de Venezuela Instituto Universitario de Tecnología “Antonio José de Sucre” Independencia – Yaracuy
DIODOS SEMICONDUCTORES Br Luisselis Piña Escuela: 70 Prof. Ing. Marienny Arrieche
índice ¿Qué es un diodo? ……………………………………………………..1 ¿Cómo fluye la carga en un diodo……………………………………..2 Según la Teoría de Semiconductores: a) Conducción de los Materiales……………………………………..3 b) Conducción en Materiales Semiconductores………………….......5 c) Semiconductores Contaminados…………………………….........7 Construcción del Diodo………………………………………………..9 Operación del Diodo…………………………………………………..11 Modelos de Circuitos Equivalentes del Diodo……………………,,,...13 ¿Cuál es la relación entre la corriente y la tensión de un Diodo?.........15 ¿Cuáles son los efectos de la temperatura?...........................................17 Línea de Carga de un Diodo…………………………………………18 Capacitancia del Diodo………………………….……………………19
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¿Qué es un diodo? Un diodo es un dispositivo que permite el paso de la corriente eléctrica en una única dirección. 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 muy pequeña resistencia eléctrica. Debido a este comportamiento, se les suele denominar rectificadores, ya que son dispositivos capaces de convertir una corriente alterna en corriente continua.
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驴C贸mo fluye la carga en un diodo? Conduce solo en una direcci贸n y se utiliza para administrar la corriente directa ,si no se quiere que la corriente directa llegue a alg煤n dispositivo se coloca de tal forma que no conduzca .
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Conducción de los Materiales Una propiedad común a prácticamente todos los materiales, es la de permitir, en algún grado, la conducción de la corriente eléctrica, pero así como algunos materiales son buenos conductores, otros son malos conductores de dicha corriente. Desde este punto de vista, los materiales pueden clasificarse en conductores y no conductores. Un material es conductor cuando puede desempeñar esa función en un circuito, independiente del valor de su conductividad. Los conductores en general pueden clasificarse en: metálicos, electrolíticos y gaseosos. En los conductores metálicos la conducción es electrónica, es decir, los portadores de cargas son electrones libres. Pertenecen a este grupo los metales y aleaciones. Se suele hablar en estos casos de conducción metálica.
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En los conductores electrolíticos la conducción es iónica; pertenecen a este grupo los llamados electrolitos, es decir, los ácidos (bases o sales, disueltos o fundidos). Las moléculas de estas sustancias, cuando se disuelven o funden, de disocian total o parcialmente formando iones positivos o negativos, y estos iones son portadores de cargas. En estos casos, el paso de la corriente eléctrica corresponde a un desplazamiento de material, y viene acompañada de una reacción química. En los conductores metálicos la electricidad circula a través de la materia, mientras que en los conductores electrolitos circula con la materia. Los gases pertenecen a un tercer grupo de conductores, los conductores gaseosos; en estado normal, los gases no son conductores, pero pueden convertirse relativamente en buenos conductores cuando están ionizados. Normalmente no se utilizan los gases para conducir corriente, salvo en casos muy especiales. La conducción a través de los gases no cumple con la Ley de Ohm.
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Conducción en Materiales Semiconductores Cuando a un elemento semiconductor le aplicamos una diferencia de potencial o corriente eléctrica, se producen dos flujos contrapuestos: uno producido por el movimiento de electrones libres que saltan a la “banda de conducción” y otro por el movimiento de los huecos que quedan en la “banda de valencia” cuando los electrones saltan a la banda de conducción.
Cuando aplicamos una diferencia de potencial a un. Elemento semiconductor, se establece una. “corriente de electrones” en un sentido y otra. “corriente de huecos” en sentido opuesto.
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Si analizamos el movimiento que se produce dentro de la estructura cristalina del elemento semiconductor, notaremos que mientras los electrones se mueven en una dirección, los huecos o agujeros se mueven en sentido inverso. Por tanto, el mecanismo de conducción de un elemento semiconductor consiste en mover cargas negativas (electrones) en un sentido y cargas positivas (huecos o agujeros) en sentido opuesto. Ese mecanismo de movimiento se denomina "conducción propia del semiconductor", que para las cargas negativas (o de electrones) será "conducción N", mientras que para las cargas positivas (de huecos o agujeros), será "conducción P".
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Semiconductores contaminados Están basados en la propiedad de ciertos materiales como el silicio, el germanio, el sulfuro de cadmio y el arseniuro de galio entre otros; y tienen la particularidad de comportarse indistintamente como conductores o aislantes bajo determinadas condiciones externos o estímulos; de allí que se dice que sus características son dependientes de factores de la naturaleza, como la luz, la temperatura, campos magnéticos, etc. En electrónica los semiconductores más usados tocados por el hombre son los diodos, transistores, Tiristores, y los circuitos integrados; todos construidos principalmente a base de silicio. La característica principal de los semiconductores que los distingue de los conductores y aislantes es su estructura atómica.
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Los conductores como el cobre, la plata y el oro, tiene pocos electrones en la órbita de valencia, justamente 1, los cuales son atraídos débilmente por el núcleo del átomo. Entonces, bajo la influencia de fuerzas externas, dicho electrón de valencia puede escapar fácilmente del átomo, pasando así a ser un electrón libre que viaja a través del material y propicia junto a otros similares el establecimiento de corrientes eléctricas. Por su parte los aislantes relativamente tienen muchos electrones de valencia, típicamente 8, y los mismos están fuertemente ligados al núcleo del átomo. Entonces resulta muy difícil convertirlos en electrones libres y obligarlos a participar en la creación de corrientes eléctricas.
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Construcción del Diodo En la construcción del diodo semiconductor. Se colocan dos materiales semiconductores con contenido de carga opuesta uno al lado del otro. Un material es semiconductor como silicio o germanio excesivamente cargado de partículas negativas (electrones). El otro material es del mismo tipo semiconductor con la diferencia de que este tiene la ausencia de cargas negativas. Cuando se aplica un voltaje de paralización directa (voltaje de corriente directa) la región iónica en la unión se reduce y los portadores negativos en el material tipo n pueden superar la barrera negativa restante iones positivos y continuar su camino hasta el potencial aplicado. Los diodos prácticos se construyen como una sola pieza de material semiconductor, en la que un lado se contamina con material de tipo de y el otro con material de tipo n. Los materiales más comunes utilizados en la construcción de diodos son tres; germanio, silicio y arsenurio de galio. En general, en silicioha reemplazado al germanio en los diodos debido a su mayor barrera de energía que permiten la operación a temperaturas más altas, y los costosde material son mucho menores, 9 11
El arsenurio de galio es particularmente útil en aplicaciones de alta frecuencia y microondas. La distancia precisa en el que se produce el cambio de material de tipo p a tipo n en el cristal varía con la técnica de fabricación. La característica esencial de la unión pn es que el cambio en la concentración de impurezas se debe producir en una distancia relativamente corta. De otra manera, la unión no se comporta como un diodo.
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Operación del Diodo El semiconductor tipo N tiene electrones libres (exceso de electrones) y el semiconductor tipo P tiene huecos libres (ausencia o falta de electrones),cuando una tensión positiva se aplica al lado P y una negativa al lado N, los electrones en el lado N son empujados al lado P y los electrones fluyen a través del material P mas allá de los límites del semiconductor. De igual manera los huecos en el material P son empujados con una tensión negativa al lado del material N y los huecos fluyen a través del material N. En el caso opuesto, cuando una tensión positiva se aplica al lado N y una negativa al lado P, los electrones en el lado N son empujados al lado N y los huecos del lado P son empujados al lado P. En este caso los electrones en el semiconductor no se mueven y en consecuencia no hay corriente.
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Modelos de Circuitos Equivalentes del Diodo Un circuito equivalente es una combinación de elementos elegidos de forma apropiada para representar de la mejor manera las características terminales reales de un dispositivo, sistema o similar, para una región de operación particular. En otras palabras una ves que se define el circuito equivalente, es posible eliminar el símbolo del dispositivo de un diagrama y sustituirlo por el circuito equivalente sin afectar de forma importante el comportamiento real del sistema. El resultado a menudo es una red que puede resolverse mediante las técnicas tradicionales de análisis de circuitos. Circuito equivalente de un diodo ideal Si el diodo está polarizado directamente, su circuito equivalente es el de un conmutador cerrado, pequeña resistencia.
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Con polarizaci贸n inversa, el circuito representa un conmutador abierto, gran resistencia.
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Ejemplos de circuitos equivalentes Circuito equivalente UJT
Circuitos equivalentes Zener
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¿Cuál es la relación entre la corriente y la tensión de un Diodo? Existe una elación exponencial entre la corriente del diodo y el potencial aplicado. Es posible escribir una expresión única para la corriente que se aplique a condiciones de polarización tanto directa como inversa. La expresión es válida siempre que la tensión no exceda la tensión de ruptura. La relación se describe mediante la ecuación:
Siendo: : corriente del diodo. : diferencia de potencial a través del diodo. : corriente de saturación inversa o corriente de fuga. q: carga del electrón { Coulomb (C)}. k: constante de boltman( J/°K). t: temperatura absoluta en grados kelvin. n: constante empírica. Su valor oscila entre 1 (Ge) y 2 (Si) 15 17
y considerando que:
La expresi贸n se simplifica a:
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¿Cuáles son los efectos de la temperatura? La temperatura tiene un efecto importante en la determinación de las características operativas de los diodos. Conforme aumenta la temperatura, disminuye la tensión de encendido V. por otra parte, un descenso de la temperatura provoca un incremento de V. Esta tensión umbral varia linealmente con la temperatura según la siguiente ecuación suponiendo que la corriente en el diodo sea constante.
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L铆nea de Carga de un Diodo Es la recta que se utiliza para encontrar los valores de corriente y tensi贸n del diodo tiene una pendiente negativa y el punto de corte de la recta de carga con la de la exponencial es la soluci贸n, el punto Q (punto de trabajo o de funcionamiento), el cual es controlado variando Vs y Rs.
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Capacitancia del Diodo La capacidad formada en extremos de la unión PN puede resultar de suma utilidad cuando, al contrario de lo que ocurre con los diodos de RF, se busca precisamente utilizar dicha capacidad en provecho del circuito en el cual está situado el diodo. Al polarizar un diodo de forma directa se observa que, además de las zonas constitutivas de la capacidad buscada, aparece en paralelo con ellas una resistencia de muy bajo valor óhmico, lo que conforma un condensador de elevadas pérdidas. Sin embargo, si polarizamos el mismo en sentido inverso la resistencia paralelo que aparece es de un valor muy alto, lo cual hace que el diodo se pueda comportar como un condensador con muy bajas pérdidas. Si aumentamos la tensión de polarización inversa las capas de carga del diodo se espacian lo suficiente para que el efecto se asemeje a una disminución de la capacidad del hipotético condensador (similar al efecto producido al distanciar las placas de un condensador estándar).
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La capacitancia es funci贸n de la tensi贸n aplicada al diodo. Si la tensi贸n aplicada al diodo aumenta la capacitancia disminuye, Si la tensi贸n disminuye la capacitancia aumenta.
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Si quieres ser sabio, aprende a interrogar razonablemente, a escuchar con atenci贸n, a responder serenamente y a callar cuando no tengas nada que decir. Johann Kaspar Lavater (1741-1801) Fil贸sofo, poeta y te贸logo suizo.
Muchas Gracias 23