Dispositivos Electrónicos Rafael de Jesús Navas González Fernando Vidal Verdú

Dispositivos Electrónicos
AÑO: 2010
TEMA 4: UNIÓN P-N. EL DIODO DE UNIÓN P-N
Rafael de Jesús Navas González
Fernando Vidal Verdú
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TEMA 4: UNIÓN p-n. EL DIODO DE UNIÓN p-n
4.1. Unión p-n en equilibrio.
4.2. Unión p-n en polarización directa e inversa.
4.3. Diodo de unión p-n. Curva característica del diodo. Modelos estáticos.
4.4. El diodo como elemento de circuito. Circuitos con diodos
4.4.1 Cálculo del punto de trabajo.
4.4.2 Cálculo de la característica de transferencia.
4.5. Características dinámicas del diodo. Diodo en conmutación.
4.5.1 Capacidad de Deplexión o de Transición
4.5.2 Capacidad de Difusión. Tiempo de almacenamiento.Tiempo de recuperación
4.6. Lógica con diodos.
4.6.1 Puertas AND y OR con diodos.
4.6.2 Calidad de las puertas lógicas con diodos.
4.7. Otros tipos de diodos:
4.7.1 Diodo Zener. Diodo LED. Fotodiodo. Diodo Varactor. Diodo Schottky
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TEMA 4: UNIÓN p-n. EL DIODO DE UNIÓN p-n
OBJETIVOS
Al estudiar este tema el alumno debe ser capaz de:
• Explicar de forma cualitativa las características de conducción en la zona de unión de materiales
semiconductores de tipo P y N en equilibrio, esto es, ausencia de polarización externa.
• Explicar de forma cualitativa las características de conducción en la zona de unión de materiales
semiconductores de tipo P y N en polarización directa.
• Explicar de forma cualitativa las características de conducción en la zona de unión de materiales
semiconductores de tipo P y N en polarización inversa.
• Identificar el dispositivo electrónico diodo de unión pn y reconocer su característica intensidadtensión.
• Conocer los modelos básicos de diodo en condiciones estáticas: ideal, tensión umbral y
linealizado.
• Realizar cálculos en circuitos sencillos: circuito rectificador, limitador de tensión y puente de
diodos. Análisis DC y caracteristica de transferencia.
• Conocer el comportamiento del diodo en condiciones dinámicas: Capacidad de deplexión y
capacidad de difusión: Modelo en condiciones dinámicas.
• Analizar circuitos básicos que implementan puertas lógicas AND OR con diodos.
• Identificar las principales características de diferentes tipos de diodos: diodos Zener, diodos LED
y fotodiodos, diodo varactor, diodo Schottky.
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LECTURAS COMPLEMENTARIAS
•• Navas González R. y Vidal Verdú F. "Curso de Dispositivos Electrónicos en Informática y Problemas
de Examen Resueltos" Universidad de Málaga/ Manual 70, 2006. Tema 4: pag.131-180.
•• Fernández Ramos, J. y otros, "Dispositivos Electrónicos para Estudiantes de Informática"
Universidad de Málaga / Manuales 2002. Tema 4: pag. 59- 89.
•• Malik, N.R.,"Circuitos Electrónicos. Análisis, Simulación y Diseño", Editorial Prentice-Hall 1996.
Tema: 3: pag. 146-165.
•• Pollán Santamaría, Tomás, "Electrónica Digital I. Sistemas Combinacionales", Prensas
Universitarias de Zaragoza 2003. APENDICE A2: pag. 263-268, TEMA 7: pag. 269-273.
•• Daza A. y García J. "Ejercicios de Dispositivos Electrónicos" Universidad de Málaga/Manuales
2003. Tema 2: pag 69-105.
•• http://jas.eng.buffalo.edu/education/index.html
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REPRESENTACIÓN SIMBÓLICA DE SEMICONDUCTORES DE TIPO P y N
material de tipo p
material de tipo n
hueco que se desplaza generado por la impureza aceptora
electrón libre generado por la impureza donadora
_
carga negativa fija
+
+4
+4
+3
+4
+4
+4
+5
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+5
+4
+4
+4
+4
+4
+5
carga positiva fija
_
+4
+3
+4
+4
+4
+4
+
_
+3
representación simbólica
_ _ _ _ _
+ + + + +
_ _ _ _ _
+ + + + +
_ _ _ _ _
+ + + + +
_ _ _ _ _
+ + + + +
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+
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UNIÓN PN EN EQUILIBRIO
p
Difusión + recombinación
E(interno) + Arrastre
p
n
_ _ _ _ _
+ + + + +
_ _ _ _ _
+ + + + +
_ _ _ _ _
+ + + + +
_ _ _ _ _
+ + + + +
_ _ _ _ _
+ + + + +
_ _ _ _ _
+ + + + +
_ _ _ _ _
+ + + + +
_ _ _ _ _
+ + + + +
n
Por difusión
Por difusión
Corriente de difusión
Por arrastre
Por arrastre
Corriente de arrastre
Las corrientes de difusión y arrastre se cancelan
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UNIÓN PN EN POLARIZACIÓN INVERSA
E(interno)
E(externo)
E(total)
p
La corriente neta está formada
por portadores minoritarios
_ _ _ _ _
+ + + + +
_ _ _ _ _
+ + + + +
_ _ _ _ _
+ + + + +
_ _ _ _ _
+ + + + +
huecos en la zona n
y
electrónes en la zona p
n
Por difusión
Por el campo total
Por difusión
Por el campo total
Corriente de difusión
Corriente de arrastre
Las corriente de arrastre supera a la de difusión
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que se originan
por generación-recombinación
p
n
Por tanto la corriente
que circula por la unión
es muy pequeña
y depende fuertemente de la temperatura
UNIÓN PN EN POLARIZACIÓN DIRECTA
E(externo)
La corriente neta está formada
por portadores mayoritarios
E(interno)
E(total)
_ _ _ _ _
p
+ + + + +
_ _ _ _ _
+ + + + +
_ _ _ _ _
+ + + + +
_ _ _ _ _
+ + + + +
n
Por difusión
Por el campo total
Por difusión
Por el campo total
Corriente de difusión
Corriente de arrastre
Las corriente de difusión supera a la de arrastre
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huecos en la zona p
y
electrónes en la zona n
cuyas concentraciones se controlan
por adición de impurezas aceptoras
y donadoras respectivamente
p
n
Por tanto la corriente que circula
por la unión es grande
y depende más débilmente
de la temperatura.
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DIODO DE UNIÓN PN: CURVA CARACTERÍSTICA.
DIODO COMO ELEMENTO DE CIRCUITO:
MODELOS ESTÁTICOS DE DIODO
ID
ID
p n
+
Modelo matemático
_
VD
ID
0,0
-I0
= I0 ⎛ e
⎝
VD
VD ⁄ VT
– 1⎞
⎠
V T = kT
-----q
Modelo circuital
Modelo con tensión umbral
Modelo ideal
ID
+
_
VD
cortocircuito
VD = 0
ID
ID V γ
ID
+
_
+
VD
VD
+
_
VD
Vγ VD
circuito abierto
ID = 0
fuente
de tensión
VD = Vγ
ID ≥ 0
VD ≤ Vγ
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+
RD
VD
_
ID
0,0
VD
VD ≤ 0
_
ID Vγ ideal
ID
ID
ID ≥ 0
0,0
circuito abierto
ID = 0
ideal
Modelo linealizado general
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1-----RD
0,0
Vγ VD
circuito abierto
ID = 0
VD ≤ V γ
resistencia
en serie con
fuente de tensión
VD = ID RD + Vγ
ID ≥ 0
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DIODO COMO ELEMENTO DE CIRCUITO: EJEMPLOS
Ej: Determinar el estado de conducción del diodo en el circuito de la figura en función de la tensión vi.
Obtener también la curva vo-vi o curva de transferencia.
Resolver el problema cosiderando los modelos circuitales de diodo ideal y linealizado y comparar los resultados.
v
+ D −
vo
+
iD
R
vi
v o = Ri D
vo
vi
−
1) Modelo ideal
A) Suponemos que el diodo está cortado iD = 0
vo = 0
+ vD −
Se ha de cumplir que v D ≤ 0
+
iD
vD = vi – vo ≤ 0
R
vo
vi
Se cumple si v i ≤ 0
−
vo = vi
B) Suponemos que el diodo conduce vD = 0
vD
+
−
Se ha de cumplir que i D ≥ 0
iD
vi
+
R
vo
−
vi
i D = ---- ≥ 0
R
Se cumple si v i ≥ 0
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vo
La característica de
transferencia resulta:
vi
vo
1
vo
1
vi
vi
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DIODO COMO ELEMENTO DE CIRCUITO: EJEMPLOS
Ej: . (Continuación)
2) Modelo linealizado
vD
+
Vγ
ideal
iD
ID Vγ ideal
ID
_
+ RD
vi
−
+
+
R
vo
−
_
VD
+ RD
_
VD
vi
v o = Ri D
vo = 0
A) Suponemos que el diodo está cortado iD = 0
vD
−
+
Vγ
Se ha de cumplir que v D – V γ ≤ 0
_
+ RD
iD
vi
R
+
vo
−
_
vi
iD
R
+
vo
−
vo
La característica de
transferencia resulta:
vD – Vγ = ( vi – vo ) – Vγ ≤ 0
vi
Se cumple si v i ≤ V γ
B) Suponemos que el diodo conduce vD = RD iD + Vγ
vD
−
+
Se ha de cumplir que i D ≥ 0
Vγ
+ RD
vo
Vγ
v o = Ri D
<1
vi
vo
Vγ
vi – Vγ
i D = ----------------- ≥ 0
R + RD
Se cumple si v i ≥ V γ
<1
vi
R
----------------- ( v i – V γ )
Y se tiene que v o = Ri D = R
+ RD
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vo
Vγ
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DIODO COMO ELEMENTO DE CIRCUITO: EJEMPLOS
Ej: . (Continuación) Comparación
Modelo de diodo ideal
Modelo de diodo linealizado
vo
+
1
vD
iD
vi
vi
vo
−
+
R
<1
vi
vo
Vγ
−
vi
vi
Vγ
t
t
vo
vo
t
t
Circuito rectificador de media onda
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DIODO COMO ELEMENTO DE CIRCUITO: EJEMPLOS
Ej: Determinar los valores de la corriente y la tensión en el diodo del circuito
de la figura. Resolver el problema cosiderando los tres modelos circuitales de diodo y
comparar los resultados. (Usar Vγ = 0,4V y RD=50Ω en los modelos correspondientes)
v
+ D −
R1
E=6V
R1=4kΩ R3=1kΩ
R2
E
I=1mA
I
iD
R3
R4=1kΩ
R2=2kΩ
Variables cuyo valor hay que calcular:
-Tensión e Intensidad en el diodo (vD,iD)
R4
1) Modelo ideal
A) Suponemos que el diodo está cortado iD = 0
R1
N1
+
iD
R2
E
vD
−
Y se verifica si se cumple que v D ≤ 0
N2
I
R3
v D = v N1 – v N2
v N2 = R 3 I
R4
N0
R2 E
v N1 = -----------------R1 + R2
Sustituyendo valores numéricos
N3
v D = 2V – 1V ≥ 0
No se cumple que v D ≤ 0
luego el diodo no está cortado
B) Suponemos que el diodo conduce vD = 0
R1
N1
R2
E
N0
+
vD
iD
−
Y se verifica si se cumple que I D ≥ 0
RTH1 N1 + vD − N2 RTH2
N2
iD
I
R3
R4
ETH2
ETH1
N0
N3
R2 E
E TH1 = ------------------ E TH2 = R 3 I
R1 + R2
R2 R1
- R TH2 = R 3 + R 4
R TH1 = -----------------R1 + R2
E TH1 – E TH2
2V – 1V
i D = -------------------------------- = ---------------------------R TH1 + R TH2
4--kΩ + 2kΩ
3
i D = 0, 3mA ≥ 0
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vD = 0
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CÁLCULO DEL PUNTO DE TRABAJO: UN ALGORITMO
D1
Circuito
Ejemplo: N=2
DN
1. Identificar el modelo circuital a emplear para analizar el circuito. Si el modelo es el de
tensión umbral o bien el linealizado, se sustituyen por su equivalente con el diodo ideal,
y a partir de aquí todos los diodos del circuito son ideales.
ideal
ID Vγ
+V
+
VD
Di
ID R
D
_
_
+
Vγ
ideal
+V
VD
_
Di
_
2. Se consideran todas las situaciones posibles, que son M = 2N, si N = 2, M = 4 :
i=1: D1 ON D2 ON
i=2: D1 ON D2 OFF
i=3: D1 OFF D2 ON
i=4: D1 OFF D2 OFF
inicializo la variable i =0
3. Tomo el caso i = i+1 y sustituyo los diodos por los modelos:
Diodo ON -> cortocircuito
Diodo OFF-> circuito abierto
4. Para todos los diodos compruebo las condiciones bajo las
cuales los modelos son válidos, o sea:
ID
+
NO
_
ID ≥ 0
_
V Di ≤ 0
+
VDi
¿Se cumplen las condiciones?
SI
FIN: CALCULO LO QUE QUIERO DEL CIRCUITO
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CÁLCULO DEL PUNTO DE TRABAJO: EJEMPLO
Ej: Determinar los valores de la intensidad de corriente en las fuentes de tensión
del circuito de la figura. Usar el modelo de tensión umbral para los diodos.
D1
D2
E1=3V E2= 1V E3= 4V
Vγ = 0,7V R2=2kΩ R3=4kΩ
E2
R3
Variables cuyo valor hay que calcular:
E1
R2
E3
- Intensidad en E1,E2 y E3 (iE1,iE2,iE3)
+
vD1
iD1
iE1
−
vD2
+
−
iE2 iD2 R3
E2
E1
R2
CONDICIONES
DE VALIDEZ
A) D1 OFF
i D1 = 0
v D1 – V γ ≤ 0
D2 OFF
i D2 = 0
v D2 – V γ ≤ 0
B) D1 OFF
i D1 = 0
v D1 – V γ ≤ 0
D2 ON
v D2 = V γ
i D2 ≥ 0
C) D1 ON
v D1 = V γ
v D2 = V γ
i D1 ≥ 0
D2 ON
iE3
E3
MODELO
2) CASOS
1) Asignamos nombre y referencia
a las variables del circuito que
se van a emplear en los cálculos.
Y consideramos todos los casos
posibles para el estado
de los diodos:
D) D1 ON
D2 OFF
i D2 ≥ 0
v D1 = V γ
i D1 ≥ 0
i D2 = 0 v D2 – V γ ≤ 0
3,4) Se analizan los diferentes casos sustituyendo el modelo y verificando
sus condiciones de validez hasta encontrar la situación verdadera
A) D1 OFF
i D1 = 0
v D1 – V γ ≤ 0 (a)
D2 OFF
i D2 = 0
v D2 – V γ ≤ 0 (b)
+
iE1
vD1
iD1
− N1 +
E2
E1
M1
vD2
M2
E3
M1: v D1 = E1 – E2
M2: v D2 = E2 – E3
−
v D1 = 3V – 1V = 2V
iE2 iD2 R3
R2
N1: i E2 = 0
v D2 = 1V – 4V = – 3 V
iE3
v D1 – V γ = 2V – 0, 7V > 0
v D2 – V γ = – 3 V – 0, 7V < 0
aunque se cumple (b), no se cumple (a),
luego ésta no es la situación real de los diodos
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CÁLCULO DEL PUNTO DE TRABAJO: EJEMPLO
Ej: (Continuación) Variables cuyo valor hay que calcular:
v
v
- Intensidad en E1,E2 y E3 (iE1,iE2,iE3)
+ D1 −
+ D2 −
iE2 iD2 R3
iD1 E2
iE1
E1
R2
E3
i D2 ≥ 0
D2 ON v D2 = V γ
iE1
vD1
iD1
− N1 +
E2
E1
M1
iE3
v D1 – V γ ≤ 0 (a)
B) D1 OFF i D1 = 0
+
E1=3V
(b)
Vγ = 0,7V R2=2kΩ
E3= 4V
R3=4kΩ
M1: v D1 = E1 – ( E2 + R 2 i E2 )
N1: i D2 = i E3 = – i E2
M2: V γ + R 3 i E3 + E3 – R 2 i E2 – E2 = 0
vD2=Vγ
−
V γ + R 3 i D2 + E3 + R 2 i D2 – E2 = 0
iE2 iD2 R3
R2
E2= 1V
iE3
M2 E3
E2 – E3 – V
1 – 4 – 0, 7
i D2 = -------------------------------γ- = --------------------------- < 0
6kΩ
R2 + R3
aunque se pudiera cumplir (a), (b) no se cumple,
luego ésta tampoco es la situación real de los diodos
v D1 = V γ
v D2 = V γ
C) D1 ON
D2 ON
i D1 ≥ 0 (a)
N1: i D1 – i D2 – i E2 = 0
i D2 ≥ 0 (b)
M1:
M2: R 3 i D2 – R 2 i E2 = E2 – E3 – V γ
v =Vγ
v =Vγ
+ D1 − N1 + D2 −
iE1
iD1
E2
E1
M1
M1+M2: R 3 i D2 = E1 – E3 – 2V γ
iE2 iD2 R3
R2
M2 E3
R 2 i E2 = E1 – E2 – V γ
iE3
E1 – E3 – 2V
3 – 4 – 1, 4
i D2 = ----------------------------------γ- = --------------------------- < 0
4kΩ
R3
aunque se pudiera cumplir (a), (b) no se cumple,
luego ésta tampoco es la situación real de los diodos
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CÁLCULO DEL PUNTO DE TRABAJO: EJEMPLO
Ej: (Continuación) Variables cuyo valor hay que calcular:
v
v
- Intensidad en E1,E2 y E3 (iE1,iE2,iE3)
+ D1 −
+ D2 −
iE1
iD1 E2
E1
iE2 iD2 R3
R2
E3
iE3
v D1 = V γ
i D1 ≥ 0 (a)
D2 OFF i D2 = 0 v D2 – V γ ≤ 0 (b)
D) D1 ON
Vγ = 0,7V R2=2kΩ
iE1
vD1=Vγ
−
iD1 E2
E1
M1
+
vD2
V γ + E2 + R 2 i E2 – E1 = 0
V γ + E2 + R 2 i D1 – E1 = 0
−
M2 E3
R3=4kΩ
i D1 = i E2 = – i E1
N1:
iE2 iD2 R3
R2
E3= 4V
M2: v D2 = ( E2 + R 2 i E2 ) – E3
M1:
+
E2= 1V
E1=3V
iE3
E1 – E2 – V
i D1 = -------------------------------γR2
3 – 1 – 0, 7
i D1 = --------------------------- = 0, 65mA
2kΩ
v D2 = 1V + 2kΩ × 0, 65mA – 4V = – 1, 7V
Hemos verificado que se cumplen
tanto (a) como (b),
v D2 – V γ ≤ 0
luego la situación D) es la situación real de los diodos, de modo que
el punto de operación de los diodos queda deteminado por los valores
v D1 = 0, 7V
v D2 = – 1, 7V
i D1 = 0, 65mA i D2 = 0
FIN) A partir de estos datos se obtiene los valores requeridos en el enunciado
De N1:
i D1 = i E2 = – i E1
Del circuito: i D2 = i E3
i E1 = – 0, 65mA
i E2 = 0, 65mA
i E3 = 0
Ejercicio: Encuentra el valor mínimo de tensión de la fuente E1 y la potencia
que ha de suministrar para que ambos diodos conduzcan el este circuito.
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CÁLCULO DE CARACTERÍSTICA DE TRANSFERENCIA:
Vo
D1
¿?
Ejemplo: N=2
Vi
DN
+ Vo
_
Para – ∞ ≤ V i ≤ ∞
Vi
quiero Vo
1. Si los diodos son con tensión umbral o linealizado, los
sustituyo por su equivalente con el diodo ideal, y a partir de
aquí todos los diodos del circuito son ideales.
2. Se consideran todas las situaciones posibles, que son
M = 2N, es decir si N = 2, M = 4, en concreto:
i=1: D1 ON D2 ON
i=2: D1 ON D2 OFF
i=3: D1 OFF D2 ON
i=4: D1 OFF D2 OFF
inicializo la variable i =0
3. Tomo el caso i = i+1 y sustituyo los diodos por los modelos:
Diodo ON -> cortocircuito, Diodo OFF-> circuito abierto
4. Para todos los diodos impongo las condiciones bajo las
cuales los modelos son válidos, o sea:
I
+
I≥0
_
_
+
V≤0
V
5. De las condiciones sobre I y V obtengo las
condiciones sobre Vi :
I≥0 ⎫→a≤V ≤b
⎬
i
V≤0 ⎭
Vo
6. Calculo Vo
a
NO
¿i = M?
b
Vi
SI
Vo
a
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b
Vi
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CÁLCULO DE CARACTERÍSTICA DE TRANSFERENCIA: EJEMPLO
Ej: Determinar la característica de transferencia vo-vi para el circuito
de la figura. Usar el modelo de tensión umbral para los diodos.
v
v
+ D1 −
+ D2 −
1)
CONDICIONES
2) CASOS
MODELO
DE VALIDEZ
+
iE2 iD2 R3
vi
iD1
E2
A) D1 OFF i D1 = 0 v D1 – V γ ≤ 0
vo
R2
D2 OFF i D2 = 0 v D2 – V γ ≤ 0
E3
−
B) D1 OFF i D1 = 0 v D1 – V γ ≤ 0
E2= 1V E3= 4V
v D2 = V γ
i D2 ≥ 0
D2 ON
Vγ = 0,7V R2=2kΩ R3=4kΩ
v D1 = V γ
i D1 ≥ 0
C) D1 ON
Hay que obtener la gráfica v -v
o i
v D1 = V γ
i D1 ≥ 0
i D2 = 0 v D2 – V γ ≤ 0
D) D1 ON
D2 OFF
vi
i D2 ≥ 0
v D2 = V γ
D2 ON
vo
3,4,5,6) Se analizan los diferentes casos sustituyendo el modelo y se busca
la condición que ha de cumplir vi para que se cumplan las condiciones
de validez del modelo. Se obtiene la expresión de vo en función de vi.
Se repite el análisis para todos los casos posibles.
A) D1 OFF
i D1 = 0
v D1 – V γ ≤ 0 (a)
N1: i E2 = 0
D2 OFF
i D2 = 0
v D2 – V γ ≤ 0 (b)
M1: v D1 = v i – E2
+
vi
vD1
− N1 +
iD1 E2
M1
vD2
M2: v D2 = E2 – E3
−
iE2 iD2 R3
R2
M2
E3
v D1 = v i – 1V
v D2 = 1V – 4V = – 3 V
+
v o = E3
vo
(a): v D1 – V γ = v i – 1V – 0, 7V ≤ 0
−
(b):
v D2 – V γ = – 3 V – 0, 7V < 0
vo(V)
(b) Se cumple siempre;
(a) Se cumple si v i ≤ 1, 7V
En ésta situación v o = 4V
4
2 A)
vi(V)
1,7
2
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4
6
19/37
CÁLCULO DE CARACTERÍSTICA DE TRANSFERENCIA: EJEMPLO
Ej: (Continuación)
v
v
+ D2 −
+ D1 −
vo(V)
+
iE2 iD2 R3
vi
iD1 E2
4
vo
2 A)
R2
vi(V)
E3
−
v D1 – V γ ≤ 0 (a)
B) D1 OFF i D1 = 0
i D2 ≥ 0 (b)
D2 ON v D2 = V γ
+
vi
vD1
− N1 +
R2
M1
vD2= Vγ
−
+
vo
M2
4
6
M1: v D1 = v i – ( E2 + R 2 i E2 )
N1: i D2 = – i E2
M2: V γ + R 3 i E3 + E3 – R 2 i E2 – E2 = 0
iE2 iD2 R3
iD1 E2
2
1,7
E2= 1V E3= 4V
Vγ = 0,7V R2=2kΩ R3=4kΩ
E3
−
V γ + R 3 i D2 + E3 + R 2 i D2 – E2 = 0
E2 – E3 – V
1 – 4 – 0, 7
i D2 = -------------------------------γ- = --------------------------- < 0
6kΩ
R2 + R3
Aunque se pudiera imponer una condición a vi para cumplir (a),
(b) no se cumplirá nunca, luego situación no se dará y por tanto no le
corresponderá ningún tramo de la característica de transferencia.
C) D1 ON
D2 ON
+
vi
v D1 = V γ
v D2 = V γ
i D1 ≥ 0 (a)
N1: i D1 – i D2 – i E2 = 0
i D2 ≥ 0 (b)
M1:
vD1= Vγ + vD2= Vγ
−
− N1
iD1 E2
M1
iE2 iD2 R3
R2
M2: R 3 i D2 – R 2 i E2 = E2 – E3 – V γ
+
vo
M2
E3
R 2 i E2 = v i – E2 – V γ
−
M1+M2:
R 3 i D2 = v i – E3 – 2V γ
v i – E3 – 2V γ
(b) i D2 = -------------------------------- ≥ 0
R3
v i ≥ E3 + 2V γ = 5, 4V
( R 2 + R 3 )v – R 2 E3 – R 3 E2 – ( 2R 2 + R 3 )V γ
i
->0
(a) i D1 = ----------------------------------------------------------------------------------------------------------R2 R3
v i ≥ 2, 93V
para que (a) y (b) se cumplan simultáneamente v i ≥ 5, 4V
y se tiene que v o = R 3 i D2 + E3 = v i – 2V γ
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CÁLCULO DE CARACTERÍSTICA DE TRANSFERENCIA: EJEMPLO
Ej: (Continuación)
v
+ D1 −
vi
iD1
E2
+
vD2
−
vo(V)
iE2 iD2 R3
+
vo
R2
E3
4
v
2 A)
C)
1,7
E2= 1V E3= 4V
Vγ = 0,7V R2=2kΩ R3=4kΩ
v D1 = V γ
i D1 ≥ 0 (a)
D2 OFF i D2 = 0 v D2 – V γ ≤ 0 (b)
vi
vD1= Vγ + vD2
−
− N1
iE2 iD2 R3
iD1 E2
M1
R2
E3
6
4
5,4
V γ + E2 + R 2 i E2 – v i = 0
V γ + E2 + R 2 i D1 – v i = 0
+
vo
M2
2
M2: v D2 = ( E2 + R 2 i E2 ) – E3
N1: i D1 = i E2
M1:
+
= v – 2V
i
γ
vi(V)
−
D) D1 ON
o
v i – E2 – V γ
(a) i D1 = ----------------------------- ≥ 0
R2
−
v D2 = ( E2 + R 2 i E2 ) – E3 = v i – E3 – V γ
v i ≥ 1 + 0, 7 = 1, 7V
(b)
v D2 – V γ = v i – E3 – 2V γ ≤ 0
v i ≤ E3 + 2V γ = 5, 4V
Tanto (a) como (b) se cumplen en el intervalo
1, 7V ≤ v i ≤ 5, 4V
luego el caso D) es la situación en dicho intervalo
y se tiene que v o = E3 = 4V
FIN) Así defintivamente
la característica resulta:
vi
5,4
vo(V)
t
v
4
2 A)
= v – 2V
o
i
γ
vo
C)
D)
vi(V)
1,7
2
6
4
4
5,4
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t
21/37
CÁLCULO DE CARACTERÍSTICA DE TRANSFERENCIA: EJEMPLO
D2 OFF
i D2 = 0
v D2 ≤ 0
−
2
i D1 ≥ 0
D3 ON
v D3 = 0
i D3 ≥ 0
4
2
+ vD
iD
v D1 = 0
D4 OFF
i D4 = 0
v D4 ≤ 0
B) D1 OFF
i D1 = 0
v D1 ≤ 0
D2 ON
v D2 = 0
i D2 ≥ 0
D3 OFF
i D3 = 0
v D3 ≤ 0
D2 ON
v D4 = 0
i D4 ≥ 0
−
vo
−
CONDICIONES
DE VALIDEZ
CASOS
1
vi
MODELO
vD
+
i D1
−
Ej: Determinar la característica de transferencia vo-vi para el circuito
de la figura. Usar el modelo ideal para los diodos.
+
A) D1 ON
iD
+
i D3
4
R
+
−
3
vD
vD
Hay que obtener la gráfica vo-vi
vo
vi
v D1 = 0
i D1 ≥ 0
(a)
D2 OFF
i D2 = 0
v D2 ≤ 0
(b)
D3 ON
v D3 = 0
i D3 ≥ 0
(c)
D4 OFF
i D4 = 0
v D4 ≤ 0
(d)
A) D1 ON
−
−
2
+ vD
1
i D1
vi
vD
+
i
iD
2
− R vo
vi
(a): i D1 = i = ---- ≥ 0
R
(b): v D2 = – v o = – v i ≤ 0
vi
(c): i D3 = i = ---- ≥ 0
R
vi ≥ 0
vi ≥ 0
vi ≥ 0
4
(d): v D4 = – v o = – v i ≤ 0
vi ≥ 0
+
vD
4
−
iD
i D3
−
3
D
+ v
M
+
i = i D1 = i D3
M: v i = v o = Ri
(a),(b),(c) y (d) Se cumplen si v i ≥ 0
En ésta situación v o = v i
vo(V)
4
2
A)
vi(V)
-6 -4 -2
2 4 6
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22/37
CÁLCULO DE CARACTERÍSTICA DE TRANSFERENCIA: EJEMPLO
−
+ vD
2
iD
4
−
vo
−
vo(V)
1
vi
vD
+
i D1
2
Ej: Determinar la característica de transferencia vo-vi para el circuito
de la figura. Usar el modelo ideal para los diodos. (Continuación)
+
4
−
iD
i D3
+
vi(V)
v D1 ≤ 0
(a)
D2 ON
v D2 = 0
i D2 ≥ 0
(b)
D3 OFF
i D3 = 0
v D3 ≤ 0
(c)
D2 ON
v D4 = 0
i D4 ≥ 0
(d)
−
−
2
+ vD
1
i D1
iD
2
− R vo
4
+
+
vD
4
−
iD
i D3
−
3
D
+ v
M
i = – i D2 = – i D4
M: v i = – v o = Ri
vD
+
i
vi
2 4 6
+
−
3
vD
4
vD
-6 -4 -2
i D1 = 0
B) D1 OFF
A)
2
R
Así defintivamente
la característica resulta:
(a): v D1 = – v o = v i ≤ 0
vi
(b): i = – i = – ---≥0
D2
R
(c): v D3 = – v o = v i ≤ 0
vi ≤ 0
vi
(d): i D4 = – i = – ---- ≥ 0
R
vi ≤ 0
vi ≤ 0
vi ≤ 0
(a),(b),(c) y (d) Se cumplen si v i ≤ 0
En esta situación v o = – v i
vi
A
vo(V)
t
4
2
A)
vi(V)
-6 -4 -2
2 4 6
vo
A
Circuito rectificador
de onda completa
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t
23/37
CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS DEL DIODO. DIODO EN CONMUTACIÓN.
- Respuesta del diodo a un pulso
.) Cuando el diodo conduce
v
i D = ----i = 2.5mA ≥ 0
- DIdeal: vD = 0
R
- Dreal:
vD = Vγ
vi – Vγ
- = 2.19mA ≥ 0
i D = --------------R
.) Cuando el diodo está en corte
- DIdeal y Dreal:
vD = vi i D = 0
.) Las transiciones de corte - conducción y de conducción - corte no son instantáneas
y limitan la velocidad del circuito.
.) Transición de corte - conducción:
Capacidad de Deplexión o Transición
.) Transición de corte - conducción:
Capacidad de Difusión
- Tiempo de almacenamiento
- Tiempo de recuperación
ts
trr
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24/37
CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS DEL DIODO.
- Capacidad de Deplexión o Transición.
.) Consecuencia de la región de carga espacial generada en la unión p-n al ser polarizada en inversa:
La unión p-n se comporta como un condensador controlado por tensión
E(interno)
E(externo)
E(total)
p
_ _ _ _ _
+ + + + +
_ _ _ _ _
+ + + + +
_ _ _ _ _
+ + + + +
_ _ _ _ _
+ + + + +
C dep
n
+
vD
-
i =
dV
dQ
= C
dt
dt
dQ
C =
dV
C jo
C dep ( v D ) = ----------------------------------m
( 1 – v D ⁄ V jo )
En la transición corte-conducción es como si este condensador,
cargado a la tensión de polarización inversa,
se descargase hasta un valor de tensión próximo a la tensión umbral.
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CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS DEL DIODO.
25/37
- Capacidad de Difusión.
.) Consecuencia del exceso sobre el nivel de equilibrio de portadores minoritarios
en la regiones próximas a la unión p-n polarizada en directo,
consecuencia a su vez de la difusión desde sus regiones de origen.
E(externo)
E(interno)
E(total)
p
_ _ _ _ _
+ + + + +
_ _ _ _ _
+ + + + +
_ _ _ _ _
+ + + + +
_ _ _ _ _
+ + + + +
Cd
+
vD
-
n
En la transición conducción-corte ese exceso de portadores minoritarios ha de ser eliminado,
(tiempo de almacenamiento)
y soló así es posible que el diodo alcance los valores de equilibrio de tensión y corriente asociados
al diodo cortado (tiempo de recuperación).
El efecto es equivalente a la descarga de un condensador
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(capacidad de difusión)
26/37
CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS DEL DIODO.
- Modelo dinámico para el diodo
Modelo completo ∀v D
+
vD
iD
Modelo ∀( v D < V γ )
+
iD
+
vD
vD
vD=Vγ
_
C dep
Cd
C dep
_
_
- Modelo para SPICE
+
Notación
Modelo
iD
Estático
vD
Dinámico
Cd
_
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Cd
_
Modelo
rs
C dep
∀( v D ≥ V γ )
iD
+
iD
Modelo
SPICE
Valor por
defecto
Is
IS
1,0E-14A
Vz
BV
∞
rs
RS
0Ω
Cj0
CJ0
0F-V1/2
m
M
0,5
Vj
VJ
1,0V
τp
TT
0s
27/37
LÓGICA CON DIODOS
VDD
R
DA
VA
DA
VB
DB
VB
VO
VA
DB
R
VO
A
A
O
B
O
B
PUERTA OR
PUERTA AND
NIVELES LÓGICOS
NIVELES LÓGICOS
(CON DIODOS IDEALES)
(CON DIODOS IDEALES)
VA(V)
VB(V)
VO(V)
0
0
0
0
VDD
VDD
VDD
VA(V)
VB(V)
VO(V)
0
0
0
0
0
VDD
VDD
0
0
VDD
0
VDD
VDD
VDD
VDD
VDD
VDD
TABLA DE VERDAD
TABLA DE VERDAD
A
A
B
O
B
O
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
1
1
0
0
1
0
1
1
1
1
1
1
1
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28/37
LÓGICA CON DIODOS
NIVELES LÓGICOS (DIODOS TENSION UMBRAL (Vγ))
VDD
VA(V)
A
B
O
PUERTA AND
VA
VB
DA
DB
VDD
0
0
Vγ
0
VDD
Vγ
VDD
0
Vγ
VDD
VDD
VDD
i DA = i DB ≥ 0
R
iDB
VO
VO(V)
v DA = v DB = V γ
iDA V γ
0
R
VB(V)
1 V DD – V γ
i DA = --- ----------------------- ≥ 0
R
2
VO
0
vo = Vγ
Vγ
V DD – V γ
i DA = ----------------------- ≥ 0
R
v DB = V γ – V DD ≤ 0
VDD
iDA
0
VDD
R
Vγ
v DA = V γ
VO i
DB = 0
iDB
- +
vDB
vo = Vγ
VDD
v DB = V γ
i DA = 0
VDD
v DA = V γ – V DD ≤ 0
0
V DD – V γ
i DB = ----------------------- ≥ 0
R
vo = Vγ
R
iDA vDA
- +
iDB
VO
Vγ
VDD
R
VDD
VDD
v
iDA -DA
+
iDB vDB
- +
i DA = i DB = 0
v DA – V γ ≤ 0
v o = V DD
v DB – V γ ≤ 0
VO
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29/37
LÓGICA CON DIODOS
CARACTERÍSTICA DE TRANSFERENCIA (DIODOS TENSION UMBRAL (Vγ))
PUERTA AND
VDD
Vin
VDD
A
B
O
VDD
Vo
V DD
R
DA
B)
DB
Vγ
Vin
A)
Vo
(0,0)
A) DB ON
V DD – V γ
Vin
VDD
i DA = 0
R
iDA
v DB = V γ
VDD
vDA
- +
iDB
VO
Vin
Vγ
Se ha de cumplir:
V DD – ( v in + V γ )
i DB = ------------------------------------------ ≥ 0
R
v in ≤ V DD – V γ
V o = v in + V γ
VDD
B) DB OFF
R
i DA = i DB = 0
VDD
VDD
iDA
vDA
- +
iDB vDB
- +
VO
Se ha de cumplir:
v DB – V γ = V DD – v in – V γ ≤ 0
v in ≥ V DD – V γ
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V o = V DD
30/37
CALIDAD DE LA LÓGICA CON DIODOS
VDD
VDD
V DD
R
DA
V DD
Vo
Vγ
DB
Vin
Vo
Vγ
(0,0) V
Vo
DD – V γ
(0,0)
Vin
V DD
-----------2
Vin
IDEAL
"REAL"
Margen de ruido nulo
1
1
0
N
VDD
VDD
1
Debe dar 0
VDD
VDD
VDD
VDD
N
0
VDD
Vo
VDD
VDD
N
0
Vγ
Vγ
Vo = N × Vγ
Vγ
Cuanto más grande es N, más grande es la salida,
en lugar de un "cero" me da un "uno" !!!
No se regeneran los niveles
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31/37
OTROS TIPOS DE DIODOS
DIODO ZENER
Símbolo
p n
ID
Curva característica
+
ID
_
Modelo matemático
VD
Si
VZ ≤ VD
ID
-VZ
= I0 ⎛ e
⎝
VD ⁄ V T
– 1⎞
⎠
V T = kT
-----q
0,0
-I0
VD
Si
ID ≤ 0
VD = –VZ
VZ se denomina tensión Zener
Modelo circuital
Modelo con tensión umbral
Tres modos de funcionamiento:
- Polización directa
- Polarización inversa o (corte)
- Región Zener
P. directa
ID ≥ 0
ID
VD
ID ≤ 0
-VZ
Vγ
=
0,0
Vγ
VD = –V Z
fuente
indep. de
tensión
VD
Corte
circuito abierto
ID
Región Zener
fuente
indep. de
tensión
–VZ
=
0
≤ VD ≤ Vγ
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32/37
OTROS TIPOS DE DIODOS: ZENER COMO REGULADOR DE TENSIÓN
Ejemplo: Un circuito digital ha de ser alimentado a una tensión constante VCC = 5V,
y se sabe que su consumo de potencia puede variar entre 300mW y 500mW.
Para conseguir que VCC se mantenga constante en ese intervalo de valores es necesario
que la fuente de alimentación empleada sea una fuente de alimentación regulada.
ICC
V CC = 5V
+
P CCmax
I CCmax = ----------------- = 100mA
V CC
Circuito
Fuente
de
Alimentación
VCC
Digital
P CCmin
I CCmin = ---------------- = 60mA
V CC
−
Si se emplea una fuente real de tensión no regulada, VCC no puede ser constante
para todo el rango de valores de ICC.
I
Siempre se cumple: V = E – IR S
Si se diseña la fuente para I = ICCmax
dado que V = Vcc se tiene que:
RS
+
E
V
Circuito
E = V CC + ( I CCmax ⋅ R S )
Digital
−
Pero entonces cuando I = ICCmin
se tendrá que V = E – ICCmin R S = V CC + ( ( I CCmax – I CCmin ) ⋅ R S ) > V CC
Si se diseña para I=ICCmin dado que V = Vcc se tiene: E = V + ( I
CC
CCmin ⋅ R S )
Pero entonces cuando I=ICCmax
se tendrá que
V = E – I CCmax R S = V CC – ( ( I CCmax – I CCmin ) ⋅ R S ) < V CC
Mediante un diodo Zener es posible diseñar una fuente real de tensión regulada,
esto es, que proporcione VCC constante para todo el rango de valores de ICC.
I
Si se escoge el diodo Zener tal que V Z = V CC
Siempre se cumple: I E = I D – I
Mientras el diodo trabaje en región Zener
V = – V D = V Z = V CC
;
ID ≤ 0 ;
IE
VZ – E
I E = --------------RS
RS
E
_
ID
+
Circuito
VD V
+
Digital
−
Si se diseña la fuente para una IE = -ICCmax,
ésto es ID=0, se tiene: E = R S I CCmax + V Z V = – V D = V Z = V CC e I = – I E = I CCmax
;
Además, ahora cuando I=ICCmin el diodo sigue en la región Zener V = V = V
Z
CC
VZ – E
V Z – ( R S I CCmax + V Z )
I D = I E + I CCmin = --------------- + I CCmin = ---------------------------------------------------- + I CCmin = I CCmin – I CCmax < 0
RS
RS
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33/37
OTROS TIPOS DE DIODOS
DIODO EMISOR DE LUZ (LED)
Pincipales Características
Emite luz cuando se polariza en directo
Polarizado en inverso se comporta como diodo normal
Tensión Umbral algo superior a diodo normal
p n
ID
+
_
VD
I
V
VD= V ID= I
"
Pincipales Aplicaciones
Indicadores de estado
Dispositivos de señalización y paneles informativos
Alumbrado de pantallas de cristal líquido de teléfonos móviles,
calculadoras, agendas electrónicas, etc.
Display de 7 Segmentos
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OTROS TIPOS DE DIODOS
FOTODIODO
Pincipales Características
Polarizado en inverso, al iluminar la union aumenta
la corriente inversa de saturación en proporción
a la luz incidente.
p n
ID
+
_
VD
Io
VD= V ID= -Io
V
Pincipales Aplicaciones
Sensores y Fotodetectores.
Fotómetros. Control de Iluminación y brillo
Medidores de distancias, espesores, transparencia, posición.
Monitorización de gas y petroleo, sustancias químicas.
Enfoque automático y control de exposición
Lector de tarjetas y códigos de barras.
Sensores de presencia
Comunicaciones ópticas.
Sensores detectores de posición en un ratón mecánico-óptico
+
VD
_
ID
ID
+
Par LED - Fotodiodo
_
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VD
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OTROS TIPOS DE DIODOS
DIODO VARACTOR o VARICAPS
Principales Características
Aprovecha la Capacidad de Deplexión en polarización inversa
de la unión pn para obtener un condensador de capacidad
variables controlada por tensión
ID
+
_
Modelo ∀( v D < V γ )
VD
iD
+
vD
C jo
C dep ( v D ) = ----------------------------------m
( 1 – v D ⁄ V jo )
p n
Io
C dep
_
V
Los valores típicos están entre 10 y 100pF
para tensiones de polarización inversa del orden de 3 a 25V.
Pincipales Aplicaciones
Circuitos de sintonización:
Sintonizador electrónico de frecuencia de resonancia.
vc
iL(t)
+
vC
_
C
t
L
1
f o = -----------------2π LC
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OTROS TIPOS DE DIODOS
DIODO SCHOTTKY
Principales Características
ID
+
Unión rectificadora metal - semiconductor: diodo de barrera.
_
Semiconductor debilmente dopado
(en caso contrario la unión es de tipo óhmico, no rectificadora)
VD
En polarización inversa:
-
+
Metal n
El potencial de contacto impide el paso de una cantidad
elevada de electrones desde el matal al semiconductor.
I
V
En polarización directa:
Se favorece la corriente de electrones desde la zona
n al metal, donde en ambos son portadores mayoritarios
al disminuir el potencial de contacto.
No hay difusión de portadores minoritarios como
en la unión pn.
Se consigue una tensión umbral inferior a la del diodo de unión
pn, del orden de 0,2 a 0,4V de pendiendo del metal utilizado.
Pincipales Aplicaciones
Aplicaciones de alta frecuencia,
gracias a su reducidos tiempos de conmutación
y bajo nivel de ruido.
Fuentes de alimentación de baja tensión y alta corriente
Convertidores ac/dc de alta velocidad de funcionamiento.
Puertas lógicas TTL de alta velocidad de conmutación. TTL Schottky.
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Reconocimientos
•
La foto "Diodos_LED", en pag. 33 es una obra de Saperaud bajo licencia CC BY-SA 3.0
Unported. Fuente: Wikimedia Commoms
•
La foto "Seven_segment_01_Pengo", en pag. 33 es una obra de Peter Halasz bajo
licencia CC BY-SA 2.5 Generic. Fuente: Wikimedia Commoms
•
La foto "fotodiodos", en pag. 34 es una obra de Ulfbastel bajo licencia CC BY-SA 3.0
Unported. Fuente: Wikimedia Commoms
•
La imagen "Mouse mechanism cutaway", en pag. 34 es una obra de Jeremykemp. El
dueño de los derechos autoriza su utilización sin restricciones. Fuente: Wikimedia
Commoms
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