El Diodo - Escuela de Ingeniería Electrónica
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Modelo del Diodo Lı́nea de carga y punto de operación Circuitos de aplicación El Diodo Lección 03.1 Ing. Jorge Castro-Godı́nez EL2207 Elementos Activos Escuela de Ingenierı́a Electrónica Instituto Tecnológico de Costa Rica I Semestre 2014 Jorge Castro-Godı́nez El Diodo 1 / 30 Modelo del Diodo Lı́nea de carga y punto de operación Circuitos de aplicación Contenido 1 Modelo del Diodo Modelo ideal Modelo real Modelos del Diodo 2 Lı́nea de carga y punto de operación 3 Circuitos de aplicación Rectificadores Recortadores Sujetadores Jorge Castro-Godı́nez El Diodo 2 / 30 Modelo del Diodo Lı́nea de carga y punto de operación Circuitos de aplicación Modelo ideal Modelo real Modelos del Diodo Modelo ideal (1) El diodo ideal actúa como: cortocircuito para corrientes de polarización en directa. circuito abierto para corrientes de polarización en inversa. El comportamiento real del diodo ideal está delimitado por: Resistividad del semiconductor. Efecto de Avalancha y efecto Zener. Corriente de saturación reversa. Jorge Castro-Godı́nez El Diodo 3 / 30 Modelo del Diodo Lı́nea de carga y punto de operación Circuitos de aplicación Modelo ideal Modelo real Modelos del Diodo Modelo ideal (2) Característica IV ideal Jorge Castro-Godı́nez El Diodo 4 / 30 Modelo del Diodo Lı́nea de carga y punto de operación Circuitos de aplicación Modelo ideal Modelo real Modelos del Diodo Real vs Ideal Característica IV real Jorge Castro-Godı́nez Característica IV ideal El Diodo 5 / 30 Modelo del Diodo Lı́nea de carga y punto de operación Circuitos de aplicación Modelo ideal Modelo real Modelos del Diodo Ecuación de Shockley (1) Curva caracterı́stica (IV, corriente vs. tensión), está descrita por la ecuación del diodo de Shockley. ID = IS e(VD /nVt ) − 1 Vt : voltaje térmico n = 1...2 IS : corriente de saturación en reversa, depende de las caracterı́sticas fı́scas del diodo. IS = qA Dp Dn · npo + · pno Ln Lp Jorge Castro-Godı́nez El Diodo 6 / 30 Modelo del Diodo Lı́nea de carga y punto de operación Circuitos de aplicación Modelo ideal Modelo real Modelos del Diodo Ecuación de Shockley (2) IS = qA Dp Dn · np0 + · pn0 Ln Lp A: área transversal del diodo, D: coeficiente de difusión, L: longitud de difusión de portadores minoritarios, np0 : concentración de electrones del lado P, en equilibrio, pn0 : concentración de electrones del lado N, en equilibrio. Jorge Castro-Godı́nez El Diodo 7 / 30 Modelo del Diodo Lı́nea de carga y punto de operación Circuitos de aplicación Modelo ideal Modelo real Modelos del Diodo Curva Caracterı́stica (1) • Región de Ruptura VD < VBR • VBR Polarización inversa VD < 0 Jorge Castro-Godı́nez El Diodo Polarización directa VD > 0 • 8 / 30 Modelo del Diodo Lı́nea de carga y punto de operación Circuitos de aplicación Modelo ideal Modelo real Modelos del Diodo Curva Caracterı́stica (2) Efecto de Ruptura (breakdown): Una tensión de polarización inversa alta puede causar una alta corriente que fluye por el diodo. Efecto Zener. Efecto de Avalancha. Ambos efectos son reversibles, i.e., no daña la unión pn si la potencia no excede la potencia máxima. Jorge Castro-Godı́nez El Diodo 9 / 30 Modelo del Diodo Lı́nea de carga y punto de operación Circuitos de aplicación Modelo ideal Modelo real Modelos del Diodo Efecto Avalancha Los portadores minoritarios en la zona de agotamiento son acelerados por el campo eléctrico, creando pares electrón-hueco por medio de ionización por impacto El aumento en los portadores de carga libres ocaciona un aumento en la corriente que puede contribuir a la ionización por impacto. P N Jorge Castro-Godı́nez El Diodo 10 / 30 Modelo del Diodo Lı́nea de carga y punto de operación Circuitos de aplicación Modelo ideal Modelo real Modelos del Diodo Efecto Túnel Electrones pasan de la banda de valencia del material tipo p a la banda de condución del material tipo n (generación). Esto ocaciona altas corrientes en el diodo. Este paso de electrones requiere altos niveles de dopado para disminuir el ancho de la zona de agotamiento. Jorge Castro-Godı́nez El Diodo 11 / 30 Modelo del Diodo Lı́nea de carga y punto de operación Circuitos de aplicación Modelo ideal Modelo real Modelos del Diodo Efectos Jorge Castro-Godı́nez El Diodo 12 / 30 Modelo del Diodo Lı́nea de carga y punto de operación Circuitos de aplicación Modelo ideal Modelo real Modelos del Diodo Modelos del Diodo (1) Existen dos modelos: 1 2 De gran señal (CC o CD) De pequeña señal (CA) Modelo de gran señal: se establece un punto de operación especı́fico, denominado punto de operación Q. Modelo de pequeña señal: se experimenta una variación alrededor del punto de operación, considerando sólo el efecto de las fuentes en CA. El modelo de pequeña señal es usado para el análisis en CA y la respuesta en frecuencia. Jorge Castro-Godı́nez El Diodo 13 / 30 Modelo del Diodo Lı́nea de carga y punto de operación Circuitos de aplicación Modelo ideal Modelo real Modelos del Diodo Modelos del Diodo (2) n un punto de operación equeña variación alrededor e un punto de operación onsidera sólo el efecto de nálisis de CA, respuesta de Jorge Castro-Godı́nez El Diodo 14 / 30 Modelo del Diodo Lı́nea de carga y punto de operación Circuitos de aplicación Modelo ideal Modelo real Modelos del Diodo Modelo gran señal Jorge Castro-Godı́nez El Diodo 15 / 30 Modelo del Diodo Lı́nea de carga y punto de operación Circuitos de aplicación Modelo ideal Modelo real Modelos del Diodo Modelos lineal por tramos, en CC • Resistencia estática del diodo – Resistencia en el punto de operación Q rD = vD iD = Q VD ID • Punto de operación Q – Punto de polarización – Punto quiesciente (estable) Jorge Castro-Godı́nez El Diodo 16 / 30 Modelo del Diodo Lı́nea de carga y punto de operación Circuitos de aplicación Modelo ideal Modelo real Modelos del Diodo Modelo pequeña señal (1) C rd : resistencia dinámica del diodo. C: capacitancias del diodo = 0 Capacitancia de agotamiento Cj + Capacitancia de difusión CD Jorge Castro-Godı́nez El Diodo 17 / 30 Modelo del Diodo Lı́nea de carga y punto de operación Circuitos de aplicación Modelo ideal Modelo real Modelos del Diodo Modelo pequeña señal æ ¶i ö rd = çç D ÷÷ è ¶v D ø rd = (2) Cj = -1 Q Cj = nVt ID Cd = Jorge Castro-Godı́nez El Diodo dq j dVR Q Cj0 ;C j = 2C j 0 V (1 + R )m Vbi tT Vt I; t T : ns... 104 ns 18 / 30 Modelo del Diodo Lı́nea de carga y punto de operación Circuitos de aplicación Modelo ideal Modelo real Modelos del Diodo Aplicaciones de Diodos Rectificación Regulación de tensión (Zener) Indicadores lumı́nicos Fotodetectores Tipos: Diodo Diodo Diodo Diodo Diodo Diodo PN (normal) emisor de luz (light emitting diodo LED) láser Schottky de Avalancha Zener Jorge Castro-Godı́nez El Diodo 19 / 30 Modelo del Diodo Lı́nea de carga y punto de operación Circuitos de aplicación Lı́nea de carga VSS = Ri D + vD Jorge Castro-Godı́nez El Diodo 20 / 30 Modelo del Diodo Lı́nea de carga y punto de operación Circuitos de aplicación Rectificadores Recortadores Sujetadores Rectificador Media Onda Caso ideal, tensión de salida promedio Vo,promedio = Vp p = Vm p Vp=Vm= valor pico de la tensión de entrada Jorge Castro-Godı́nez El Diodo 21 / 30 Modelo del Diodo Lı́nea de carga y punto de operación Circuitos de aplicación Rectificadores Recortadores Sujetadores Rectificador Media Onda con Filtro Cálculo de capacitancia de filtrado C= I LT Vr Voltaje de carga: VL @ Vm - Vr 2 Jorge Castro-Godı́nez El Diodo 22 / 30 Modelo del Diodo Lı́nea de carga y punto de operación Circuitos de aplicación Rectificadores Recortadores Sujetadores Rectificador Onda Completa (1) Caso ideal, tensión de salida promedio Vo,promedio = 2Vp p = 2Vm p Vp=Vm= valor pico de la tensión de entrada Jorge Castro-Godı́nez El Diodo 23 / 30 Modelo del Diodo Lı́nea de carga y punto de operación Circuitos de aplicación Rectificadores Recortadores Sujetadores Rectificador Onda Completa (2) Cálculo de capacitor de filtrado: C= Jorge Castro-Godı́nez El Diodo I LT 2Vr 24 / 30 Modelo del Diodo Lı́nea de carga y punto de operación Circuitos de aplicación Rectificadores Recortadores Sujetadores Recortador Serie Vs vs(t) Vp Vp El diodo está en SERIE con la salida vo(t) Vp–Vs–Vd Jorge Castro-Godı́nez El Diodo 25 / 30 Modelo del Diodo Lı́nea de carga y punto de operación Circuitos de aplicación Rectificadores Recortadores Sujetadores Recortador Paralelo v(t) v(t) v(t) Vs v(t) Vp vo(t) Vs v(t) v(t) Vp Vp vo(t) vo(t) Vp Vp Vs–Vd Vs+Vd El diodo está en PARALELO con la salida Jorge Castro-Godı́nez El Diodo 26 / 30 Modelo del Diodo Lı́nea de carga y punto de operación Circuitos de aplicación Rectificadores Recortadores Sujetadores Recortador v(t) Vp v(t) V1 V2 vo(t) V1 + VD V2+ VD Jorge Castro-Godı́nez El Diodo 27 / 30 Modelo del Diodo Lı́nea de carga y punto de operación Circuitos de aplicación Rectificadores Recortadores Sujetadores Sujetador de tensión vs(t) Vp vo(t) V1 + VC = 2 V1 - VD VD Jorge Castro-Godı́nez El Diodo 28 / 30 Modelo del Diodo Lı́nea de carga y punto de operación Circuitos de aplicación Rectificadores Recortadores Sujetadores Doblador de tensión vs(t) Vp VS (t) Carga C2 Semiciclo negativo: D1 conduce, C1 se carga al voltaje de la fuente, D2 no conduce vo(t) Carga C1 2Vp Semiciclo positivo: D1 no conduce, D2 conduce, VC2 = 2 Vp En estado estable, la salida es aproximadamente 2Vp Caso ideal Caso real: salida es 2Vp-2VD Jorge Castro-Godı́nez El Diodo 29 / 30 Modelo del Diodo Lı́nea de carga y punto de operación Circuitos de aplicación Rectificadores Recortadores Sujetadores Referencias Bibliográficas I J. M. Albella et al. Fundamentos de microelectrónica, nanoelectrónica y fotónica. Pearson, 1era edición, 2005. A. Sedra, K. Smith. Circuitos Microelectrónicos. McGraw-Hill, 5ta edición, 2006. R. Boylestad, L. Nashelsky. Electrónica: Teorı́a de circuitos y dispositivos electrónicos. Pearson, 10ma edición, 2009. Jorge Castro-Godı́nez El Diodo 30 / 30
