INSTITUTO TECNOLÓGICO DE ORIZABA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA-ELECTRÓNICA (ÁREA ELECTRÓNICA) M. C. Fernando Vera Monterrosas 1 1. INTRODUCCIÓN A LA TEORÍA DEL DIODO Y SUS APLICACIONES EN CORRIENTE DIRECTA. El diodo semiconductor es una unión P-N conectada a dos terminales convenientemente encapsuladas para dar al conjunto consistencia mecánica. Es el más sencillo de los dispositivos semiconductores pero desempeña un papel vital en los sistemas electrónicos, con sus características que se asemejan en gran medida a las de un sencillo interruptor cerrado cuando tiene polarización directa y un interruptor abierto cuando tiene polarización inversa. Por esta cualidad, es útil para convertir corriente alterna en corriente continua. Hay tres tipos de material semiconductor con los que se construyen los diodos y son: a) Silicio, b) Germanio, c) Selenio. En su cuerpo estará marcada la señalización de las regiones y el código de identificación. Las terminales se denominan: ANODO (A) conectado a la región P. CÁTODO (K) conectado a la región N. En la figura 1.1 se observa la relación entre su representación esquemática (a), su aspecto exterior más generalizado (b) y su representación simbólica (c). 1.1 Modelo matemático. El comportamiento del diodo ya sea de silicio (Si) o de germanio (Ge) está dado por la ecuación 1.1.1.
ES UN DOCUMENTO QUE NOS EXPLICA EL FUNCIONAMIENTO DE LOS DIODOS
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1. INTRODUCCIÓN A LA TEORÍA DEL DIODO Y SUS APLICACIONES EN
CORRIENTE DIRECTA.
El diodo semiconductor es una unión P-N conectada a dos terminales convenientemente
encapsuladas para dar al conjunto consistencia mecánica.
Es el más sencillo de los dispositivos semiconductores pero desempeña un papel vital en los
sistemas electrónicos, con sus características que se asemejan en gran medida a las de un sencillo
interruptor cerrado cuando tiene polarización directa y un interruptor abierto cuando tiene
polarización inversa. Por esta cualidad, es útil para convertir corriente alterna en corriente continua.
Hay tres tipos de material semiconductor con los que se construyen los diodos y son:
a) Silicio, b) Germanio, c) Selenio.
En su cuerpo estará marcada la señalización de las regiones y el código de identificación.
Las terminales se denominan:
ANODO (A) conectado a la región P.
CÁTODO (K) conectado a la región N.
En la figura 1.1 se observa la relación entre su representación esquemática (a), su aspecto
exterior más generalizado (b) y su representación simbólica (c).
1.1 Modelo matemático.
El comportamiento del diodo ya sea de silicio (Si) o de germanio (Ge) está dado por la
ecuación 1.1.1.
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Figura 1.1 El diodo semiconductor a) Representación esquemática,
b) Aspecto exterior y c) Representación simbólica.
( )1/ −= mkTqVRD
DeII Ec. 1.1.1
donde:
ID = Corriente a través del diodo (Amperes).
VD = Voltaje entre las terminales del diodo (Volts).
IR = Corriente inversa de saturación.
q = Carga del electrón, 1.68 x 10-19 Coulombs.
m = Constante empírica, varía de 1 a 2.
K = Constante de Boltzman, 1.38 x 10-23 Joule/ºK.
T = Temperatura absoluta, ºK.
1.2 Funcionamiento.
El comportamiento del diodo presenta dos casos de polarización, directa e inversa. Para
analizar el funcionamiento del diodo se debe hacer referencia a la gráfica de la figura 1.2.1.
P N A K
A K
A K
(b)
(a)
(c)
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Figura 1.2.1 Curva característica V-I del diodo.
1.3 Polarización directa.
Se sitúa en el primer cuadrante de la gráfica de la figura 1.2.1, el diodo no conduce con una
intensidad apreciable (menos del 1 % del valor nominal máximo), hasta que el voltaje aplicado no
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supere la barrera de potencial o voltaje de umbral Vγ (aproximadamente 0.3 volts para el germanio y
0.7 volts para el silicio, como se observa en la figura 1.3.1).
Figura 1.3.1 Voltajes de umbral para el germanio y el silicio.
A partir de ese punto los electrones y huecos empiezan a cruzar la unión en grandes
cantidades por lo que a pequeños incrementos de voltaje corresponden grandes aumentos de
intensidad de corriente.
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1.4 Polarización inversa.
Se sitúa en el tercer cuadrante de la gráfica de la figura 1.2.1, la corriente se estabiliza
rápidamente y permanece prácticamente constante (corriente inversa de saturación o de fuga, IR)
para grandes aumentos de voltaje inverso (VR).
Si se aumenta este voltaje lo suficiente (cientos de volts para casi todos los diodos) se llega
al voltaje de ruptura inversa, entonces la intensidad de corriente crece apreciablemente.
El origen de esta corriente se debe a que los portadores minoritarios son “arrancados” de las
zonas donde existen provocando un fenómeno de “avalancha” o reacción en cadena sobre los demás
portadores produciendo con esto un deterioro irreversible del componente (destrucción del diodo). A
este fenómeno se le conoce como ruptura por avalancha o ruptura Zener.
1.5 Consideraciones generales.
Para la verificación del normal funcionamiento de un diodo se realiza una prueba con el
ohmetro. En sentido directo la resistencia es del orden de 10 a 30 Ω; con polarización inversa se
pueden observar lecturas de 200 a 300 KΩ para el germanio y de varios MΩ para el silicio.
En el diseño de un circuito habrá que seleccionar un tipo de diodo cuyo voltaje máximo
aplicable en sentido inverso (VRmax) sea mayor que el máximo que se espere aplicarle en su
funcionamiento (del orden de 2 veces más).
El circuito exterior debe limitar la intensidad de corriente IF ya que debe ser menor a la
IFmáx del diodo indicada por el fabricante.
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La potencia disipada por el componente es conveniente limitarla a la mitad de la potencia
nominal. Se debe tener en cuenta que toda disipación de potencia genera calor, produciendo
aumento de temperatura y provocando un aumento de la corriente inversa.
Estableciendo una comparación entre los diodos semiconductores de silicio y germanio en
algunas de sus características se puede destacar lo que se presenta en la tabla 1.5.1.
Características. Germanio. Silicio. Vγ ≈ 0.3 Volts ≈ 0.7 Volts IR ∼µA ∼ηA
Deriva térmica. IR se duplica cada 10ºC Vγ varía en –2 mV/ºC
IR se duplica cada 6ºC Vγ varía en –4 mV/ºC
Resistividad. 60 Ω/cm 230000 Ω/cm Aplicaciones. Señales pequeñas. Todos los demás casos.
Tabla 1.5.1 Comparación de las características de los diodos semiconductores de germanio y silicio.
Ejemplo 1.5.1: Considere el valor de Vγ = 0.7 volts para un diodo de silicio a la temperatura
ambiente (25 ºC). ¿Cuál será el valor de Vγ a una temperatura de 125 ºC?
La variación de temperatura es,
∆T = 125 ºC – 25 ºC = 100 ºC
y la variación del voltaje en el diodo es,
∆Vγ = (-4 mV/ºC) x 100 ºC = - 0.4 volts
entonces, el voltaje de umbral del diodo de silicio a una temperatura de 125 ºC es,
Vγ = 0.7 V – 0.4 V = 0.3 Volts
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1.6 Recta de carga.
El diagrama mostrado en la figura 1.6.1 es un circuito básico con el cual se obtiene en
forma muy sencilla y rápida la ecuación de la recta de carga del diodo.
Figura 1.6.1 Circuito básico para obtener la recta de carga de un diodo.
Del circuito de la figura 1.6.1 se obtiene la siguiente ecuación:
0=−− DD VRIV
Despejando V se obtiene la ecuación siguiente:
DD VRIV += Ec. 1.6.1
Despejando ID de la ecuación 1.6.1 se tiene que:
RV
RV
RV
RVI DD
D +−=−= Ec. 1.6.2
Esta ecuación representa una ecuación de la forma:
bmxy +=
ID
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Donde: R
m 1−= , es la pendiente.
RVb = , representa la ordenada al origen.
Para la recta de carga de la ecuación 1.6.2:
RV
RV
I DD +−= Ec. 1.6.3
Para VD = 0, se tiene que.... RVI Dmáx = y
Para ID = 0, se tiene que.... VVDmáx =
Con los datos obtenidos se procede a graficar la recta de carga, la cual se muestra en la
figura 1.6.2.
Analizando la gráfica de la figura 1.6.2 se concluye lo siguiente:
• Si el voltaje de la fuente (V) incrementa su valor, la recta de carga se desplaza hacia la
derecha y hacia arriba, paralela a la pendiente.
• Si en lugar de incrementar el voltaje, se decrementa el valor de la resistencia, la recta de
carga se hará más vertical (aumenta la pendiente).
• Si se aumenta el valor de la resistencia, la recta de carga se hará más horizontal, se inclinará
hacia la izquierda.
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• La intersección entre la recta de carga y la curva característica, determina el punto de
operación del diodo.
Figura 1.6.2 Recta de carga y punto de operación (Q) del diodo.
Ejemplo 1.6.1 Determinar el punto de operación del circuito mostrado en la figura 1.6.3 y
dibujar la gráfica de la recta de carga correspondiente.
Figura 1.6.3 Circuito para el ejemplo 1.6.1.
ID
VD
ID (mA)
V (volts)
Rm 1
−=
D
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Si , 7.0 VVD = entonces mAK
VVI D 866.2 5.1
7.0 5=
Ω−
=
por lo que, Q (0.7 V, 2.866 mA).
Para la recta de carga:
RV
RV
I DD +−=
Si VD = 0, mA K.R
VI Dmáx 333.3 51
V 5=
Ω==
Si ID = 0, VVVDmáx 5 ==
Con los datos obtenidos se procede a graficar la recta de carga, la cual se muestra en la
figura 1.6.4.
Figura 1.6.4 Recta de carga y punto de operación (Q) del diodo para el circuito del ejemplo 1.6.1.
Si para este ejemplo la fuente de alimentación de corriente directa se cambia por una fuente
de corriente alterna que varíe entre + 6 V y – 6 V, como se muestra en la figura 1.6.5, la recta de
carga se va a estar desplazando paralelamente entre + 6 V y – 6 V.
I (mA)
V (volts)
IDmáx 3.33 mA
2.86 mA
VDmáx
Q
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Figura 1.6.5 Circuito modificado para el ejemplo 1.6.1.
La tabla 1.6.1 muestra los valores de algunos de las diferentes rectas de carga obtenidas al