UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA ELÉCTRICA “DIODO SEMICONDUCTOR” CURSO: ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y DE POTENCIA PROFESOR: APESTEGUIA GRUPO HORARIO: FECHA DE PRESENTACIÓN: 05 DE SEPTIEMBRE INTEGRANTES: INDICE I. INTRODUCCION (AARON) II. OBJETIVOS (ELIAS) III. MARCO TEÓRICO DIODO SEMICONDUCTOR(CARLOS) TIPOS DE DIODOS (ELIAS) IV. LABORATORIO MATERIALES (AARON) SIMULACIÓN EN PROTEUS (SANDRA) V. CUESTIONARIO (LAURA PREGUNTA 1-4) 1. Investigue cuales son los diferentes tipos de diodos que existen, mencione sus nombres, características y aplicaciones Existe una gran variedad de diodos para diferentes tipos de aplicaciones y aunque en teoría todos funcionan bajos los mismos principios se puede obtener resultados totalmente diferentes según la entrada que apliquemos a cada circuito. Los materiales más usados por los fabricantes de diodos son el Silicio y el Germanio, de los cuales el Silicio es el preferido debido a sus bajos costos de refinación y el alto grado de pureza que se pueden alcanzar. TIPOS DE DIODOS Diodo detector o de baja señal Hemos hablado que la mayoría de los fabricantes utilizan el Silicio por su abundancia y por qué relativamente es más fácil de refinar, sin embargo, cuando hablamos de altas frecuencias resulta ser que el Germanio es el material más conveniente y es precisamente de lo cual está hecho el diodo detector, el cual es un tipo de diodo caracterizado por tener una unión PN pequeña y con una excelente respuesta a altas frecuencias y con señales pequeñas, ya que su unión requiere de un menor voltaje para que el diodo entre en conducción. Aplicación : Su uso está presente en receptores de radio donde separan las señales de alta frecuencia o portadora de las señales de baja frecuencia o las señales audibles. Diodo rectificador El diodo rectificador es uno de los más usados en la industria y su funcionamiento es muy interesante, son utilizados principalmente en las fuentes de voltaje de corriente directa para separar los semiciclos de las ondas sinusoidales y así poder obtener señales de un solo signo que son más fáciles de filtrar para eliminar el rizado y obtener un voltaje continuo. Dentro de los tipos más utilizados de rectificación se encuentran: 1) Rectificadores de media onda Es un circuito de un solo diodo al cual se le aplica un voltaje variable o corriente alterna, por ejemplo, una señala senoidal en sus terminales y durante el primer semiciclo estará polarizado en directa permitiendo el paso de la señal y se mantendrá en inversa durante el segundo semiciclo impidiendo el flujo de corriente. 2) Puente de diodos o rectificador de onda completa Para lograr la rectificación de onda completa se emplean al menos 2 diodos y en el caso del puente rectificador son 4 diodos, al tener conectados esta cantidad de diodos se logra que a la salida del circuito se tengan los dos semiciclos de la señal senoidal esto resulta más eficiente ya que si pensamos en el área bajo la curva de la señal senoidal, con esta configuración se mantiene intacta idealmente. 3) Recortadores Son una red de diodos que recortan una parte de la señal sin alterar el resto de la señal aplicada, el recortador más simple es el rectificador de media onda que vimos previamente, se construye usando un diodo y un resistor únicamente. Diodos de potencia El diodo de potencia está muy ligado a los diodos rectificadores. La mayoría de los diodos de potencia se construyen de Silicio por su alto valor nominal de corriente, temperatura y voltaje pico en inversa PIV, la alta demanda de corriente requiere que la unión p-n se a mayor para disminuir la resistencia eléctrica cuando el diodo se polariza en directa ya que si la resistencia crece la perdida de potencia seria mayor aumentando la temperatura en los materiales. Para aumentar la capacidad de corriente en los diodos los puedes conectar en paralelo y el valor nominal del PIV conectándolos en serie. Aplicación: Se usan en los puentes de diodos para fuentes de alimentación de alta potencia y altas temperaturas. Diodo Zener Es un tipo de diodo que cuenta con la característica especial de mantener un voltaje constante entre sus terminales, los diodos Zener tienen un dopaje especial que permite polarizarlo en inversa y mantenerlo en la región Zener de la curva característica del diodo, en esta zona la corriente del diodo ID es igual a la corriente de saturación en inversa Iz provocando que el voltaje en las terminales del diodo no cambie mientras no supere la zona Zener, ya que al superar esta zona el diodo puede entrar en la zona de ruptura y quemarse. Si variamos el nivel de dopado en los materiales, también variaremos la ubicación en la zona Zener, por lo tanto, el potencial Zener se reduce si el nivel de dopado aumenta el nivel de impurezas en los materiales. Esto permite la existencia de diodos Zener que soportan potenciales desde 1.8 Volts hasta unos 200 Volts, soportando potencias desde un cuarto de watts hasta unos cincuenta watts. Si polarizamos en directa un diodo Zener, este se comportará idealmente igual a cualquier otro diodo. Aplicación: La principal aplicación de este tipo de diodos es como regulador de voltaje. Protector de sobretensión, como referencia de tensión. Diodo varactor (varicap) Los diodos varactores son conocidos también como varicap, VVC (capacitancia variable dependiente de voltaje) o de sintonización. El diodo varactor son considerados capacitores semiconductores dependientes del voltaje. Este tipo de diodo depende de la capacitancia que haya en la unión p-n cuando es polarizado en inversa. En condiciones de polarización en inversa existe una región de carga no recuperada en ambos lados de la unión de los materiales p-n que en conjunto forman la región de empobrecimiento. Aplicaciones: Son ideales como elementos de sintonía en receptores de radio, televisión, osciladores, multiplicadores, amplificadores, generadores de frecuencias FM e incluso existe una variante de estos diodos de nombre SNAP empleados en circuitos de UHF y microondas. Diodo emisor de luz LED El diodo LED es un tipo de diodo que emite luz visible al energizarse, recordemos que en cualquier unión p-n polarizada en directa dentro de la estructura y principalmente cerca de la unión p-n hay una recombinación de huecos y electrones, esta recombinación necesita que la energía adquirida por los electrones sea liberada y se transforme en otro estado, en todas las uniones n-p de los semiconductores una parte de esta energía se libera en forma de calor y otra en forma de fotones y depende del tipo de material semiconductor la energía se liberara en mayor o menor proporción. En los diodos de Silicio y Germanio es mayor el porcentaje de energía liberado en forma de calor que en forma de fotones, por lo tanto, no vemos ningún destello durante su operación o cuando lo polarizamos en directa, esto hace que no sean elementos adecuados para la fabricación de leds. Existe una combinación de elementos que con los cuales se pueden generar luz visible y su voltaje en directa varia, por ejemplo: El azul se crea a partir de GaN con voltaje en directa de 5 volts. El verde se crea a partir de GaP con voltaje en directa de 2.2 volts El rojo se crea a partir de GaAsP con voltaje en directa de 1.8 Físicamente, los leds tienen una superficie metálica conductora externa conectada al material tipo p la cual es más pequeña para permitir la salida del máximo de fotones de energía luminosa cuando el led es conectado en directa. Aplicaciones: Luces de coches y motos Semáforos y señales de tráfico Aplicaciones médicas y juguetes Bombillas Controles remotos o mandos a distancia Iluminación de interiores y exteriores Decoración Linternas Paneles informativos y publicitarios Adornos navideños Diodo emisor de luz led infrarrojo Los diodos emisores de luz infrarroja como los LED infrarrojos están construidos principalmente por Arseniuro de Galio de estado sólido que emiten un flujo radiante cuan se conecta en directa. Cuando la región de la unión se polariza en directa, los electrones de a región n se recombinan con los huecos excedentes de la región p en una región de recombinación situada entre los materiales p y n, esta recombinación provoca que el diodo emita una radiación de energía en forma de fotones, los cuales se reabsorben en la estructura o abandonan el dispositivo en forma de energía radiante. Aplicaciones: Debido a que la comunicación entre el emisor y el receptor puede ser interrumpida muy fácilmente se utiliza a estos elementos para la elaboración cualquier sistema de presencia o detector de movimiento esto se puede apreciar en: La construcción de cámaras de seguridad, sensores de detección de movimiento, contadores, etc. Diodo emisor de luz LÁSER Este tipo de diodo como otros emisores de luz irradian energía tras la recombinación de los electrones con los huecos de los materiales extrínsecos p y n de su estructura, estos leds irradian una poderosa luz invisible para el ojo humano fuertemente concentrada, también son conocidos como láseres de inyección o ILD’s. Aplicaciones: son usados en muchas aplicaciones como en los lectores de CD, DVD, Blueh-ray, HD-DVD, interconexiones ópticas en los circuitos integrados, impresoras láser, etc. Diodo túnel Esaki En 1958 Leo Esaki presentó el diodo túnel por que también se le conoce como diodo Esaki y tiene una característica que lo diferencia de prácticamente todos los otros diodos, un diodo túnel posee una región de resistencia interna negativa, en esta región un incremento del voltaje terminal reduce la corriente del diodo. El diodo túnel se fabrica dopando los materiales semiconductores que forman la unión p-n a un nivel de 100 o varios miles de veces más al de un diodo semiconductor típico. La región de empobrecimiento en un diodo túnel es muy pequeña y hace que los portadores la penetren a velocidades que exceden por mucho a los diodos convencionales, por lo que los hacen ideales en aplicaciones de alta velocidad, por ejemplo, computadoras donde se necesitan conmutaciones de nanosegundos o picosegundos. Diodo PIN Los diodos PIN son aquellos semiconductores que tienen una estructura de 3 capas, las capas externas son de material tipo p y n, mientras la capa intermedia es un material intrínseco, de allí recibe el nombre de PIN, P por el material tipo p, I por el material intrínseco y N por el material tipo N, sin embargo, en la práctica comúnmente la capa intrínseca se cambia por un material tipo P de alta resistividad o por una capa tipo n igualmente de alta resistividad. Aplicaciones: Los diodos tipo PIN principalmente son utilizados como conmutadores de alta frecuencia o como resistencias variables por voltaje ya que la velocidad en que tardan los portadores de libres en atravesar la unión es sumamente elevada. Diodo BACKWARD Este diodo es una variación del diodo Zener y el diodo túnel, este diodo también es llamado back diode o diodo hacia atrás, está construido de Germanio y se caracteriza por mantener una mejor conducción al ser polarizado en inversa que al ser conectado en directa. Diodo de barrera SCHOTTKY El diodo Schottky también es conocido como barrera superficial o portadores calientes y es un dispositivo con una rápida respuesta a altas frecuencias y de bajo ruido, inclusive lo podemos encontrar en fuentes de alimentación de alto voltaje y baja corriente, también lo podemos encontrar en la lógica TTL Schottky para computadoras. Su construcción es bastante diferente a la convencional p-n y se trata de la unión de un metal semiconductor, donde el material semiconductor normalmente es Silicio tipo n y en algunas ocasiones tipo p, mientras que el metal puede ser molibdeno, platino, cromo o tungsteno. Esta estructura causa que en ambos materiales el electrón sea el portador mayoritario y los huecos sean insignificantes. Cuando los materiales se unen los electrones del material tipo n fluyen de inmediato al material metálico estableciendo un flujo de portadores mayoritarios y como tienen un nivel de energía cinética mayor a los electrones que ya se encuentran en el metal se llaman portadores calientes. Aplicaciones: Los diodos Schottky se emplean ampliamente en la protección de las descargas de las celdas solares en instalaciones provistas de baterías de plomo-ácido, así como en mezcladores de frecuencias entre 10 MHz y 1000 GHz instalados en equipos de telecomunicaciones. Fotodiodos Los fotodiodos se construyen a partir de la unión de elementos semiconductores p-n y su región de operación se limita a la polarización en inversa, los fotodiodos vienen con un tipo de ventana transparente que permite el paso de la luz a la unión p-n, permitiendo que la energía de las ondas luminosas o fotones lleguen a la estructura atómica de los elementos, dando como resultado un incremento de portadores minoritarios y corriente inversa, por lo tanto, si la luz aumenta la corriente en inversa también crecerá. Aplicaciones: se utilizan mucho en sistemas de iluminación, sistemas de seguridad, contadores de objetos, etc. 4. - Mencione el modelo matemático del diodo y su curva característica, con todas sus acotaciones y regiones. MODELOS DEL DIODO DE UNION PN A continuación se van a explicar los diferentes tipos de modelos propuestos para el funcionamiento de un diodo de unión PN. Modelos para señales continuas Bajo el término señales continuas se engloban en este caso tanto las señales constantes en el tiempo como aquellas que varían con una frecuencia muy baja. Modelo del diodo real La expresión Es un modelo matemático que aproxima satisfactoriamente el comportamiento del diodo real. En esta expresión, Io, es la corriente inversa de saturación del diodo que depende de la estructura, del material, del dopado y fuertemente de la temperatura. η, es el factor de idealidad cuyo valor, que depende de las dimensiones del diodo, del material semiconductor, de la magnitud de la corriente Io y de la potencia que disipa, está entre 1 y 2. VT, es el potencial térmico del diodo que a temperatura ambiente (T=25ºC) tiene un valor de 25.71mV. Su valor se obtiene de la siguiente expresión: Como función de la constante de Boltzmann (K=1,38 10-23J/ºK), la carga del electrón (q =1,6 10-19C) y la temperatura absoluta del diodo T[ºK], según La representación gráfica de este modelo se muestra en la figura. El modelo puede completarse mediante la adición de nuevos parámetros que incluyan efectos no contemplados en la teoría básica. Modelo ideal del diodo de unión PN El modelo ideal del diodo de unión PN se obtiene asumiendo que el factor de idealidad es unitario, η=1, suponiendo que la resistencia interna del diodo es muy pequeña y que, por lo tanto, la caída de tensión en las zonas P y N es muy pequeña, frente a la caída de tensión en la unión PN. Para V<0, la exponencial crece por encima de la unidad, lentamente para valores V>N. Modelo lineal por tramos Al igual que el modelo real, el modelo ideal sigue siendo poco práctico, dado su carácter no lineal. El modelo lineal por tramos se obtiene como una aproximación del modelo ideal del diodo de unión PN, considerando la corriente a través de la unión es nula cuando la tensión en el diodo no alcanza la tensión umbral (vD ≤ Vγ), mientras que, para tensiones mayores en directa, la caída de tensión en la unión PN (vD =Vγ) es constante e independiente de la intensidad que circule por el diodo Tomando como variable independiente la intensidad i en la ecuación ideal del diodo se puede calcular la caída de tensión en el diodo para las magnitudes de corriente habituales en los circuitos electrónicos. A partir de esta expresión, si se considera un diodo de unión PN de silicio con una Io=85fA a una temperatura ambiente de T=25ºC, y en consecuencia, el potencial térmico VT=25.7mV, para un intervalo de corrientes 1 mA ≤ i ≤ 1 A se tienen tensiones en el diodo entre 0,6V y =0,77V En la figura se muestran los modelos lineales por tramos para el diodo, en una primera y otra segunda aproximación. En ambas se reflejan los dos posibles estados del diodo el diodo: "On" o Conducción, donde la tensión es Vγ para cualquier valor de la corriente, "Off" o Corte, donde la corriente es nula para cualquier valor de tensión menor que Vγ. CURVA CARACTERISTICA DEL DIODO La curva característica corriente-voltaje para el diodo ideal se muestra en la Imagen en color rojo. Este modelo implica que el diodo está completamente activado para cualquier voltaje mayor o igual a 0. Además, se supone que la corriente de saturación inversa es 0 cuando tiene polarización inversa. Una buena aproximación inicial para el diodo real se da por la línea de color azul, ya que replican la caída de voltaje real de 0.6 a 0.7 V, medida a través del diodo de silicio cuando tiene polarización directa. Un diodo real requiere aproximadamente 0.7V de polarización directa para permitir un flujo significativo de corriente. Cuando un diodo real se polariza inversamente, puede aguantar un voltaje inverso hasta un límite conocido como voltaje de ruptura, donde el diodo fallará conforme la corriente inversa aumenta precipitadamente.
