1.- UNION p-n. DIODO SIN POLARIZAR. La situación de
partida es la del cristal semiconductor representado en la Figura
2.1, es decir, tenemos un semiconductor con una zona tipo p junta
a una zona tipo n. Suponemos que todas las impurezas están
totalmente ionizadas y que los portadores que tenemos en cada una
de las zonas provienen de las propias impurezas, es decir,
prescindimos de momento de los pares e- – h+ que se forman por
agitación térmica. Como ya se ha comentado en el
capítulo anterior, en la zona n cada átomo de
impureza donadora (átomos con 5 e- de valencia) al
introducirse en la estructura cristalina del silicio, produce un
e- libre, quedando, por tanto, el átomo cargado
positivamente. Así, podemos representar un semiconductor
tipo n como se muestra en el lado derecho de la figura 1. De
manera similar, en la zona p cada átomo de impureza
aceptadora (impurezas con 3 e- de valencia) al introducirse en la
estructura cristalina del silicio, dejan un enlace sin completar,
con lo que tienden a captar un e- para satisfacer dicho enlace. O
lo que es lo mismo tienden a ceder un hueco. El átomo de
impureza aceptadora, al captar un e- queda cargado cediendo un h+
(carga positiva), de manera que podemos observar como el cristal
sigue siendo eléctricamente neutro. Figura 2.1.-
Unión p-n En la zona p existen gran cantidad de huecos (en
una primera aproximación tantos como impurezas
aceptadoras, ya que suponemos que a temperatura ambiente todas
ellas están ionizadas). Por el contrario, en la zona n el
número de huecos que tendremos serán muy pocos
(debidos a la formación de pares e- – h+ por rotura
térmica de enlaces). Por tanto se establecerá una
corriente difusión de h+ de la zona p hacia la zona
n.
Análogamente, en la zona n tendremos gran cantidad de e-
(tantos como átomos de impurezas donadoras). En la zona p
también existirán e- pero en un número muy
bajo (como en el caso anterior debidos a la rotura térmica
de enlaces). Esto originará una corriente de
difusión de e- de la zona n hacia la zona p. Es importante
remarcar que los iones originados por la ionización de los
átomos de impurezas están fijos en la red
cristalina, es decir, no se pueden mover, por lo que no
intervienen en la corriente eléctrica. Debido a esta
difusión los huecos al abandonar la zona p y pasar a la
zona n (donde son portadores minoritarios) tienen una gran
probabilidad de recombinarse con un e- aniquilándose
ambos. Igualmente los e- que proceden de la zona n al pasar a la
zona p y en las proximidades de la unión se
recombinarán. Así, en las proximidades de la
unión aparecerá una zona donde no existirán
cargas libres. Esta zona se denomina región de carga
espacial, zona de deplexión, zona de vaciado. Figura 2.2.-
Al poner en contacto una zona p y una zona n aparece en las
proximidades de la unión una zona en la que no existen
cargas libres. Es la zona de carga espacial. Sin embargo, el
proceso de difusión tiene un límite. Debido a los
iones de las impurezas que están fijos en la estructura
cristalina, aparecerá una diferencia de potencial,
positiva del lado de la zona n negativa del lado de la zona p que
tenderá a frenar la difusión de portadores de una
zona a otra. En la zona de carga espacial aparecerá un
campo eléctrico que tiende a alejar tanto a los e- de la
zona n como a los h+ de la zona p de la unión. Por tanto
la difusión de portadores seguirá hasta que el
campo eléctrico generado en el interior de la zona de
carga sea lo suficientemente grande como para impedir el paso de
los mismos.
Figura 2.3.- En la zona de carga aparece un campo
eléctrico que se opone al movimiento por difusión
de h+ y e-. 2.- POLARIZACIÓN DEL DIODO. 2.1.-
Polarización Inversa. Figura 2.4.- Polarización
inversa de una unión p-n. Consiste en poner una
tensión positiva del lado de la zona n y negativa del lado
de la zona p. Para polarizar inversamente una unión p-n
colocamos una tensión continua con el lado negativo de la
misma en la zona p y el lado positivo de la tensión en la
zona n. La polaridad aplicada de esta manera es tal que tiende
alejar a los h+ de la zona p y a los e- de la zona n de la
unión. De esta manera, la zona de cargas fijas negativas
se extenderá hacia el interior de la zona p y de forma
análoga la zona de cargas positivas tenderá a
penetrar en la zona n.
Figura 2.5.- Polarización inversa. A medida que aumentamos
la polarización inversa aumenta la anchura de la zona de
carga zona dipolar Al aumentar la zona de deplexión
aumentará el potencial de la barrera. Este aumento
continuará hasta que el potencial que aparece en la zona
de carga espacial se iguale con la tensión aplicada. La
distancia que la zona de carga espacial penetre en cada una de
las zonas dependerá del nivel de dopado de las mismas.
Cuanto más dopada esté una zona menos se
adentrará en la misma la zona de deplexión. Figura
2.6.- En la figura se aprecia como la zona de carga (área
sombreada) penetra más en la zona n (menos dopada) que en
la zona p (más dopada). Por lo tanto, en principio
resultará una corriente nula. Sin embargo, debemos de
tener en cuenta a los portadores minoritarios (e- en la zona p y
h+ en la zona n provenientes de la formación de pares e- –
h+ debida a la rotura térmica de enlaces). Así, el
campo eléctrico aplicado tenderá a llevar a los e-
de la zona p hacia la zona n y a los huecos de la zona n hacia la
zona p. Esto supone una corriente resultante que se denomina
corriente inversa de saturación o corriente de fugas. Esta
corriente depende de la temperatura y no de pende de la
tensión inversa aplicada.
Figura 2.7.- En polarización inversa los e- de la zona p y
los h+ de la zona n formados por rotura térmica de enlaces
atraviesan la unión dando lugar a la corriente inversa de
saturación. Si representamos el perfil de minoritarios en
polarización inversa Figura 2.8.- Perfiles de minoritarios
en la unión p-n polarizada en inversa. 2.2.-
Polarización directa. Cuando aplicamos una tensión
directa V a una unión p-n, es decir, una tensión
positiva del lado p y negativa del lado n. En primer lugar, la
anchura de la zona de carga disminuye, disminuyendo
también la barrera de potencial que aparece en dicha zona.
Esta tensión aplicada rompe el equilibrio establecido
entre las fuerzas que sobre los portadores ejerce el campo
eléctrico y las fuerzas que tienden a producir la
difusión de los portadores minoritarios. Para valores
pequeños de la tensión de polarización
(valores de tensión menores que la barrera de potencial)
la circulación de corriente no será apreciable.
Esto se debe a que el campo eléctrico que aparece en la
zona de carga es más fuerte que el campo exterior
aplicado, por lo tanto los portadores mayoritarios no
podrán atravesar la zona de carga.
Figura 2.9.- Polarización directa de la unión p-n.
La zona dipolar es más estrecha que la que aparece en la
unión sin polarizar. A medida que la tensión
exterior aplicada aumenta y superamos el valor de la barrera de
potencial, los portadores mayoritarios atravesarán la
unión. Los h+ de la zona p se verán arrastrados
hacia la zona n y los e- de la zona n hacia la zona p
creándose una corriente grande (debida a los mayoritarios)
en el sentido de la zona p hacia la zona n. Figura 2.10.-
Polarización directa de la unión p-n. Cuando V
>V la corriente crece exponencialmente con la tensión
aplicada.
Por último nos fijamos en el perfil de los portadores
minoritarios. Figura 2.11.- Perfiles de minoritarios en la
unión p-n polarizada en directa. 3.- CURVA
CARACTERÍSTICA DEL DIODO. Puede demostrarse mediante la
física del estado sólido que las
características generales de un diodo semiconductor pueden
definirse por la siguiente ecuación: I D IS exp q VD K T 1
Ecuación de Shockley Donde ID = Corriente que atraviesa el
diodo VD = Tensión (diferencia de potencial) entre los
extremos del diodo p n Anodo VD ID Cátodo Figura 2.9.-
Símbolo del diodo (unión p-n). Sentidos de
tensión y corriente para la curva característica de
la Figura 2.10. q = carga del electrón en Culombios = 1,6
E-19 C K = constante de Boltzman = 8,62 E-5 eV/K T = Temperatura
en Kelvin.
8 6 Para niveles bajos de tensión (en o bajo la rodilla de
la curva) = 1 para el Ge = 2 para el Si Para niveles
relativamente altos de corriente (zona de ascenso rápido
de la curva) = 1 tanto para Si como para el Ge. Por otra parte,
se denomina “tensión equivalente de
temperatura” a: VT K T q T 11600 Así, por ejemplo,
para temperatura ambiente (T = 300 K) VT = 0,026 V = 26 mV. La
ecuación del diodo se suele escribir a veces en la forma
ID IS exp VD VT 1 ID (mA) 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9
Región de polarización 7 directa (V D > 0 V; ID
> 0 mA) 5 4 3 2 Is 1 -40 -30 -20 -10 0 0,1 A 0,3 0,5 0,7 VD
(V) 0,2 A No polarización Región de
polarización inversa (VD < 0 V; ID = -IS) 0,3 A (VD = 0
V; ID = 0 mA) Figura 2.12.- Curva característica del
diodo.
Para valores de tensión positivos y varias veces superior
a VT, puede despreciarse el 1 del paréntesis de la
ecuación de Shockley, de forma que, salvo para un
pequeño margen en las proximidades del origen, la
corriente aumenta exponencialmente con la tensión. Cuando
polarizamos el diodo en inversa con una tensión cuyo
módulo sea varias veces superior a VT tendremos que ID –
IS para cualquier valor de VD. Tensión Umbral V .
También es conocida como tensión de codo. Para
valores de tensión inferiores a V la corriente es muy
pequeña (aún en polarización directa). El
diodo no conduce bien hasta que la tensión aplicada
sobrepasa la barrera de potencial. Por esto, para las primeras
decenas de voltio la corriente es muy pequeña. A medida
que nos acercamos al valor de V los portadores mayoritarios de
las respectivas zonas (e- de la zona n y h+ de la zona p)
comienzan a atravesar la unión en grandes cantidades, por
lo que la corriente crece rápidamente (de forma
exponencial, como ya se ha comentado). Para tensiones superiores
a la tensión umbral, pequeños aumentos de
tensión producen grandes aumentos de corriente. El valor
de esta tensión de 0,7 V para el Si y de 0,3 V para el Ge.
Corriente inversa de saturación IS. También se la
conoce como corriente de fugas (IO). Está originada
térmicamente, no depende de la tensión aplicada,
sino de la temperatura. Se puede decir que su valor se duplica
cada 10 ºC. Corriente de pico. Es la máxima corriente
que puede soportar el diodo en directa sin quemarse. Es un dato
que proporciona el fabricante en las hojas de
características del dispositivo (datasheets) y nos da
distintos valores dependiendo del tipo de corriente que circule
por el diodo (no será lo mismo si la corriente es
continua, si es alterna o si son picos de sobrecorriente).
Tensión de ruptura. Cuando en un diodo aplicamos una
tensión inversa, a su través circula la corriente
inversa de saturación (IS) y en la zona de carga aparece
una tensión igual a la tensión inversa aplicada.
Sin embargo, esta tensión no puede aumentarse todo lo que
se desee ya que existe un valor de tensión (tensión
de ruptura) a partir del cual el diodo comienza a conducir
intensamente. Para pequeños aumentos de tensión
inversa se tienen grandes incrementos de corriente. Si no
conseguimos evacuar toda la potencia calorífica generada
por efecto Joule, el diodo se rompe. Esta ruptura se puede deber
a dos efectos: Efecto avalancha. Efecto zener Efecto avalancha.
Al mismo tiempo que la tensión a través del diodo
se incrementa en la región de polarización inversa,
la velocidad de los portadores minoritarios (responsables de IS)
también se incrementa. A la larga, sus velocidades y sus
energías cinéticas serán suficientes para
liberar portadores adicionales mediante colisiones con
estructuras atómicas de otro modo estables. Esto es,
resultará un proceso de ionización por medio del
que los e- de valencia absorberán energía
suficiente para abandonar el átomo padre. Estos portadores
adicionales pueden así ayudar al proceso de
ionización, hasta el punto en que se establezca una
elevada corriente de avalancha y se determina la región de
“ruptura de avalancha”. Efecto Zener. Cuando un diodo
está muy dopado la zona de deplexión es muy
estrecha. A causa de ello, el campo eléctrico en esta zona
es muy intenso. Cuando el campo eléctrico es muy elevado (
300 000 V/cm) el campo puede extraer los e- de sus órbitas
de valencia. La creación de e- libres de esta manera
recibe el nombre de efecto zener (también conocido como
“emisión de campo intenso”). Este efecto es
diferente del efecto avalancha que requiere que los portadores
minoritarios con grandes velocidades desliguen e- de valencia
mediante choques. El efecto zener depende solamente de la
intensidad del campo eléctrico.
ID VD (V) . El efecto zener ocurre para valores de tensión
inferiores a 4 V, mientras que el efecto avalancha requiere
tensiones superiores a 6 V. Para valores de tensión
comprendidos entre los 4 y los 6 V pueden coexistir ambos efectos
sin prevalecer uno sobre otro. A la mayoría de los diodos
no se les permite llegar a la ruptura (usualmente > 50 V ).
Sin embargo, en otros casos, se busca trabajar en la zona inversa
(diodos zener. Se verán en el apartado 7 de este
capítulo) Resistencia estática o de corriente
continua. ID (mA) Es la resistencia que presenta el diodo en el
punto de Punto Q operación. VD R D VD I D Varía
ampliamente dependiendo de la zona de trabajo. En la zona de
polarización inversa RD es del orden de los M . En la zona
entre 0 y V RD es del orden de las centenas de . En la zona de
conducción ( VD > V ) RD es del orden de las decenas o
unidades de Resistencia dinámica o de corriente alterna.
Viene definida por la pendiente de la curva en el punto de
funcionamiento. rd d vD d iD Q vT I D
i i T 4.- EL DIODO COMO ELEMENTO DE UN CIRCUITO Vamos a resolver
el circuito de la figura v vi i RL vo v i v o v En la resistencia
v o R L i En el diodo I S exp v VT 1 v i I S exp R L i v VT v 1
Sistema de ecuaciones no lineales. Se resuelve por métodos
iterativos. i vi i IS exp v V 1 R L iD A vD v i R L i v vi v El
punto A intersección de la recta de carga con la curva del
diodo es el punto de funcionamiento.
5.- APROXIMACIONES DEL DIODO 5.1.- Primera Aproximación.
ID (mA) m=1/Rf VD (V) A V m=1/Rr Podemos distinguir 3 zonas
distintas de funcionamiento: a) Diodo en polarización
inversa (V D 0) En esta zona la curva del diodo es una recta que
pasa por el origen de pendiente 1/Rr, por tanto, el diodo se
comporta como una resistencia de valor Rr. A C A Rr C Cuando un
diodo esté en inversa lo sustituiremos en el circuito por
una resistencia Rr. b) Diodo en directa con tensión menor
que la tensión umbral (0 VD V ) En esta zona el diodo se
comporta como un circuito abierto (la corriente a su
través es nula independientemente de la tensión). A
C A C Por tanto cuando un diodo esté en inversa lo
sustituiremos por un circuito abierto.
c) Diodo en conducción (VD V ) En esta zona la curva
característica del diodo es una recta que corta al eje de
tensiones en el punto V y tiene una pendiente 1/Rf. Es decir, se
comporta como una resistencia en serie con una fuente de
tensión de valor V . (Es importante observar que el polo
positivo de esta fuente debe estar del lado del ánodo y el
negativo del cátodo) A A Rf Por tanto, cuando un diodo
esté en conducción podremos sustituirlo en el
circuito correspondiente por una C C V resistencia de valor Rf y
una fuente de tensión de valor V . 5.2.- Segunda
Aproximación. ID (mA) m=1/Rf Rr = A V VD (V) Surge al
despreciar el efecto de la resistencia en inversa (esta es de un
valor muy elevado, del orden de los M ). El valor de esta
resistencia normalmente es mucho mayor que los valores de las
resistencias utilizadas en los circuitos más habituales,
por tanto podremos aproximar que su valor es infinito. Ahora
podemos distinguir 2 zonas de funcionamiento. a) Diodo en corte
(VD V ) A C A C El diodo se comporta como un circuito
abierto.
Rf b) Diodo en conducción ( VD V ) A A En esta zona la
característica del diodo es exactamente igual al caso c
del la primera aproximación, por tanto, C C V habrá
que sustituir al diodo por una resistencia de valor Rf y una
fuente de tensión de valor V . 5.3.- Tercera
aproximación. ID (mA) Rf = 0 Rr = A V VD (V) Cuando un
diodo está en conducción la resistencia que opone
al paso de la corriente es muy pequeña (Rf es del orden de
unos pocos ). Si en el circuito en el que se encuentre el diodo,
las resistencias presentes son de valores muy superiores al de Rf
(esto sucede habitualmente en la mayoría de las
aplicaciones prácticas), podremos despreciar esta
resistencia haciendo Rf = 0. De esta forma surge la tercera
aproximación. Seguimos teniendo dos zonas de
funcionamiento. a) Diodo en corte ( VD V ) A C A C El diodo se
comporta como un circuito abierto.
V b) Diodo en conducción ( VD V ) A A El diodo se comporta
como una fuente de tensión de valor V . (Tenemos lo mismo
que en la aproximación anterior C C haciendo Rf = 0. 5.4.-
Cuarta aproximación. Diodo ideal. ID (mA) Rf = 0 Rr = A V
=0 VD (V) Si el diodo es de Si, sabemos que V = 0,7 V (0,2 V si
fuese de Ge). Por tanto, si las tensiones con las que trabajamos
en el circuito son muy superiores a este valor, podremos
despreciar estos 0,7 V sin cometer un gran error. La cuarta
aproximación, conocida como diodo ideal, surge al
despreciar V . a) Diodo en corte ( VD 0 ) A C A C El diodo se
comporta como un circuito abierto. b) Diodo en conducción
( VD 0 ) A A El diodo se comporta como un cortocircuito. Si VD 0
ID C C
Cuando se utiliza la aproximación de diodo ideal, podemos
observar como el funcionamiento de un diodo se asemeja al de un
interruptor. Diodo en inversa Interruptor abierto Diodo en
directa Interruptor cerrado 6.- CAPACIDADES Y TIEMPO DE
CONMUTACIÓN. Los modelos anteriormente descritos son para
gran señal, es decir, cuando las variaciones de la
tensión aplicada son grandes respecto al nivel de
polarización. Cuando la amplitud de la señal
aplicada es pequeña respecto a la de polarización
se utilizan los modelos de pequeña señal que
aparecen representados en la Figura 2.13. A A A A C C a) r d C D
C C b) rr CT Figura 2.13.- Modelos de pequeña señal
para el diodo a) polarización directa y b)
polarización inversa. Donde: rd = resistencia incremental
o dinámica en directa. rr = resistencia incremental o
dinámica en inversa. CD = capacidad de difusión CT
= capacidad de transición o de unión. 6.1.-
Capacidad de transición o de unión. Aparece cuando
se aplica al diodo una tensión inversa. Como ya se ha
mencionado, la polarización inversa provoca que los
portadores mayoritarios se alejen de la unión, dejando
descubiertas más cargas inmóviles. De ahí
que el espesor de la zona de carga espacial aumente con la
tensión inversa. Esta variación de carga con la
tensión aplicada puede considerarse como un efecto de
capacidad. Así se define la capacidad CT como
– — – + +++ ++ + CT dQ dV CT llamada capacidad de la
región de transición, de la barrera o de la carga
espacial representa la variación de la carga almacenada en
la región de carga respecto a la variación de la
tensión en la unión. a) CT b) A W Figura 2.14.-
a)Capacidad de la región de transición. En la zona
de carga aparece una carga almacenada cuyo valor depende de la
tensión de polarización inversa. b)
Expresión de la capacidad de transición para una
unión abrupta. Su valor coincide con el de la capacidad de
un condensador plano de placas paralelas. 6.2.- Capacidad de
difusión. Cuando estamos en polarización directa
aparece una capacidad CD mucho mayor que la vista anteriormente
CT. El origen de esta capacidad reside en el almacenamiento de
cargas inyectadas cerca de la unión. (Figura 2.15.). La
cuantía de este almacenamiento de carga viene determinado
por el grado de polarización directa. Es decir hay una
variación de la carga almacenada con la tensión
aplicada. Zona p np — – — ——- + + pn + + ++ Zona n CD I VT
a) b) Figura 2.15.- Capacidad de difusión. a)Aparece una
concentración de cargas en las cercanías de la
unión. Cargas negativas del lado de la zona p (debida al
exceso de e-) y positivas del lado de la zona n (debida al exceso
de h+). b) Expresión de la capacidad de
difusión.
Ambas capacidades descritas aparecen a la vez con polarizaciones
directas e inversas, sin embargo, en directa CD >> CT y en
polarización inversa CD << CT. Hay que
señalar que el efecto de las capacidades sólo se
tiene en cuenta cuando se trabaja con pequeña señal
y frecuencias elevadas (recordar que la impedancia que presenta
un condensador es inversamente proporcional a la frecuencia ). XC
1 2 f C 6.3.- Tiempo de conmutación del diodo. Supongamos
una tensión de entrada escalón al circuito de la
figura Vf 0 t vi RL -Vr En el instante t = 0 la tensión
aplicada pasa súbitamente de Vf a –Vr
manteniéndose a este nivel para t > 0. Si suponemos que
Vf y RL son mucho mayores que V y Rf respectivamente, la
intensidad que circula por el diodo será: i D Vf R L La
polarización directa motiva una alta concentración
del exceso de minoritarios en las proximidades de la
unión. Con polarización inversa el exceso de
minoritarios en las proximidades de la unión es
virtualmente nulo. Cuando hay un cambio de polarización
deben retroceder a través de la unión hacia el lado
original. Este movimiento de carga produce una corriente en
sentido inverso (de cátodo a ánodo). El periodo de
tiempo durante el que el exceso de portadores minoritarios
decrece hasta cero se denomina “tiempo de
almacenamiento”. Durante este tiempo el diodo conduce
fácilmente y la corriente a su través es
–VR/RL. Esto continua hasta que
el exceso de portadores minoritarios desaparece, a
continuación la corriente de crece hasta IS. Figura 2.16.-
La tensión de (b) se aplica al circuito de (a); (c)
representa el exceso de portadores en la unión (d)
corriente por el diodo y (e) tensión en el diodo 7.-
DIODOS LED Y DIODOS ZENER. El diodo emisor de luz (Light Emitter
Diode) es, como su propio nombre indica, un diodo que produce luz
visible cuando se encuentra en conducción. En cualquier
unión p-n polarizada en directa, dentro de la estructura
y, principalmente, cerca de la unión se producen
recombinaciones de h+ y e-. Esta recombinación requiere
que la energía que posee el e- libre se transfiera a otro
estado.
En todas las uniones p-n parte de esta energía se
convierte en calor y otra parte se emite en forma de fotones. En
el Si y el Ge la mayor parte de esta energía liberada se
transforma en calor y la luz emitida es insignificante. En otros
materiales, como el fosfuro arseniuro de galio (GaAsP) o el
fosfuro de galio (GaP) el número de fotones de la
energía luminosa emitida es suficiente para crear una
fuente luminosa muy visible. Esta radiación puede tener
distintas longitudes de onda, radiándose luz roja, verde,
amarilla o incluso en el espectro infrarrojo. Los leds que emiten
en infrarrojos se suelen utilizar en aplicaciones de alarmas,
telemandos, etc. O como optoacopladores. Los diodos zener
están diseñados para funcionar en la zona de
ruptura y disipar las potencias que se producen. Este tipo de
diodos se utilizan polarizados en inversa. La ubicación de
la zona zener se puede controlar variando los niveles de dopado.
Una aplicación típica es el empleo de los zener en
circuitos reguladores de tensión.