UD6.- TEORIA DE SEMICONDUCTORES EL DIODOprofesores.sanvalero.net/~arnadillo/Documentos/Apuntes/...11 SEMICONDUCTORES Extrínseco. Tipo P Si Si Si Si Si Si Si Si Si Al: aluminio Impurezas

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UD6.- TEORIA DE SEMICONDUCTORES

EL DIODO

Centro CFP/ES

CONSTITUCIÓN INTERNA DE LA MATERIAMoléculas y Átomos

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CONSTITUCIÓN INTERNA DE LA MATERIAClasificación de los cuerpos

CONSTITUCIÓN INTERNA DE LA MATERIAEl átomo

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CONSTITUCIÓN INTERNA DE LA MATERIAEstructura atómica

CONSTITUCIÓN INTERNA DE LA MATERIATipos de átomos

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CONSTITUCIÓN INTERNA DE LA MATERIATabla periódica

El ÁTOMOCaracterísticas eléctricas

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ESTRUCTURAS CRISTALINASBandas de energía

ESTRUCTURAS CRISTALINASBandas de energía

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ESTRUCTURAS CRISTALINASConductores, Semiconductores y Aislantes

TIPOS DE ENLACES

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TIPOS DE ENLACES

SEMICONDUCTORES

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SEMICONDUCTORESIntrínseco

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si Si

Si

0ºK

Si: silicio

Grupo IV de la tabla periódica


Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si Si

Si

0ºK

300ºK+

Electrón Hueco

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Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si Si

Si

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

+


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SEMICONDUCTORESExtrínseco. Tipo N

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si Si

Si

Sb: antimonio

Impurezas del grupo V de la

tabla periódica

SbEs necesaria muy poca energía para ionizar el átomo

de Sb

+

A temperatura ambiente todos los átomos de impurezas se encuentran ionizados

SEMICONDUCTORESExtrínseco. Tipo N

Sb

Sb

SbSb

Sb

Sb

SbSb

Sb

Sb

Sb

Sb

Sb

Sb

Sb

Sb

Impurezas grupo V

300ºK

++

+ + ++

+ ++

+

++

++

++

Electrones libres Átomos de impurezas ionizados

Los portadores mayoritarios de carga en un semiconductor tipo N son electrones libres

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SEMICONDUCTORESExtrínseco. Tipo P

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si Si

Si

Al: aluminio

Impurezas del grupo III de la tabla periódica

AlEs necesaria muy poca energía para ionizar el átomo

de Al

-

A temperatura ambiente todos los átomos de impurezas se encuentran ionizados

+

SEMICONDUCTORESExtrínseco. Tipo P

Al

Al

AlAl

Al

Al

AlAl

Al

Al

Al

Al

Al

Al

Al

Al

Impurezas grupo III

300ºK

--

- - --

- --

-

--

--

--

Huecos libres Átomos de impurezas ionizados

Los portadores mayoritarios de carga en un semiconductor tipo P son Huecos. Actúan como portadores de carga positiva.

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SEMICONDUCTORESUnión PN en equilibrio

-

-

--

----

--

--

--

-- +

++ + ++

+++ +

++

+

+

++

Semiconductor tipo P Semiconductor tipo N

SEMICONDUCTORESUnión PN en equilibrio

-

-

--

----

--

--

++++ +

++

+

+

++

Semiconductor tipo P Semiconductor tipo N

--

-- +

++ +

+

+-

Zona de transición

Al unir un semiconductor tipo P con uno de tipo N aparece una zona de carga espacial denominada ‘zona de transición’. Que actúa como una

barrera para el paso de los portadores mayoritarios de cada zona.

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SEMICONDUCTORESUnión PN polarizada inversamente

-

-

--

----

+

+

++

+

++

--

-- +

++ +

+

---

-

+++

+

+

La zona de transición se hace más grande. Con polarización inversa no hay circulación de corriente.

P N

SEMICONDUCTORESUnión PN polarizada directamente

-

-

--

----

+

+

++

+

++

--

-- +

++ +-

---

+++

+

+

La zona de transición se hace más pequeña. La corriente comienza a circular a partir de un cierto umbral de tensión directa.

P N

+

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SEMICONDUCTORESUnión PN polarizada directamente

-

-

--

----

+

+

++

+

++

--

-- +

++ +-

---

+++

+

+

La recombinación electrón-hueco hace que la concentración de electrones en la zona P disminuya al alejarse de la unión.

P N

+

Concentración de huecos Concentración de electrones

SEMICONDUCTORESEl Diodo

Conclusiones:

Aplicando tensión inversa no hay conducción de corriente

Al aplicar tensión directa en la unión es posible la circulación de corriente eléctrica

P N

DIODO SEMICONDUCTOR

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EL DIODO

EL DIODOSimbología

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EL DIODOCircuito equivalente

EL DIODOPolarización

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EL DIODOCurva característica

EL DIODOCurva característica

I

V

Solo tensión de codoGe = 0.3Si = 0.6

I

V

Tensión de codo yResistencia directa

I

V

Ideal

I

V

Curva real(simuladores,

análisis gráfico)

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EL DIODOLimitaciones

I

V

Corriente máxima

Límite térmico, sección del conductor

Tensión inversamáxima

Ruptura de la Uniónpor avalancha

600 V/6000 A200 V /60 A 1000 V /1 A

EL DIODOTiempo de recuperación inversa

+UE R

iSUE

Baja frecuencia

iS

Alta frecuencia

iS

trr = tiempo de recuperación inversa

A alta frecuencia se aprecia un intervalo en el cual el diodo conduce corriente inversa.

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EL DIODOTiempo de recuperación inversa

-

-

--

----

+

+

++

+

++

-- +

+

Para que el diodo deje de conducir es necesario extraer los portadores minoritarios de las proximidades de la unión. El diodo conduce en sentido

inverso durante un cierto tiempo: recuperación inversa.

P N

+ +

--

-- +

++ +-

-++

+

EL DIODOCaracterísticas

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EL DIODOTipos

EL DIODOAgrupaciones

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EL DIODOSimbología

EL DIODOEncapsulados

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EL DIODOEncapsulados

EL DIODOIdentificación

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DIODOS ESPECIALESDiodo Zener

DIODOS ZENERCurva característica

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DIODOS ZENERCaracterísticas

DIODOS ESPECIALESDiodo LED

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DIODO LEDFrecuencias


0Longitud

Zona P Zona N

inip

b a

V1

Ri

i (en b)

i (en a)

•Cuando el interruptor pasa de “a” a “b”, el diodo LED quedapolarizado directamente.

•En cada sección del cristal hay distinto porcentaje de corriente dehuecos y de electrones, lo que significa que hay recombinacionesen el proceso de conducción.

•Algunas de estas recombinaciones generan luz.

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DIODOS ESPECIALESDiodo Varicap

DIODOS ESPECIALESFotodiodo

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DIODOS ESPECIALESCélulas Solares


PRECEDENTES

• 1954.- Bell Telephone construye la primera célula• 1956.- Loferski publica unas tablas de conversión fotovoltaica para

mejorar el rendimiento• 1970.- Se obtienen unos rendimientos aproximados del 20% con células

monocristalinas (GaAs). A nivel industrial rendimiento menor• 1975.- Células de 2 capas (CdS) la ventaja poco material activo, fácil de

fabricar pero bajo rendimiento• 1977.- Material policristalino barata fabricación pero menor rendimiento• Silicio amorfo: Para baja potencia como relojes, calculadoras….• En España se desarrollaron células bifaciales: aprovechan radiación por

las dos caras y mejor rendimiento

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EFECTO FOTOVOLTAICO

• Consiste en transformar la energía que aportan los fotones de luz incidentes en un material semiconductor.

• El efecto de fabricación es similar al del diodo, se trata de dopar convenientemente los cristales para proporcionar una región N y otra P

• Al unir los cristales se crea una barrera en la cual se recombinan algunos electrones con algunos huecos pero no hay circulación de electrones.

• Si penetra la luz y los fotones comunican la suficiente energía a los electrones, algunos de éstos atravesarán la barrera de potencial y producirán corriente eléctrica en el circuito exterior.


EFECTO FOTOVOLTAICO

• El semiconductor no almacena energía como una batería sino que la genera transformando la energía radiante cuando ésta incide sobre él.

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EFECTO FOTOVOLTAICO

• En una célula de silicio monocristalina la eficiencia de la conversión es relevante para magnitudes de onda entre 350 y 1100 nm, aunque para otros materiales tendremos una respuesta espectral diferente.

• Como la luz que nos llega es una mezcla de fotones de frecuencias diferentes, la eficiencia de conversión será la conjunción de la respuesta para cada una de ellas.

• La Fisica Cuántica da como eficiencia teórica a la célula de silicio un valor de 23% aunque si nos referimos a las comerciales estamos en un 16%.

• El tamaño de las células está entre unos pocos centímetros cuadrados hasta 100 cm2, variando su forma desde circular a cuadrada.

• Las células deben conectarse en serie para que los electrones expulsados de una sean recogidos por la otra y nos ayude a conseguir unas ddp entre 6 y 24V.


TIPOS DE CÉLULAS

• Silicio puro monocristalino: • Consta de obleas de Silicio dopadas con átomos de boro y fósforo

para conseguir las regiones NP. Posteriormente se da un tratamiento antireflectante para asegurar que el rayo no escape.

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TIPOS DE CÉLULAS

• Silicio puro monocristalino: • Posteriormente colocaremos los

contactos adecuados para que los electrones entren y salgan de la célula.

• El rendimiento de la célula fabricada es la mitad que el teórico debido a las siguientes pérdidas:• Pérdidas por reflexión, que no se

pueden evitar• Incidencia de los fotones en la rejilla

metálica• Pérdida por efecto Joule (por calor).

• Con todo ello el rendimiento de una célula es inferior al 15%.

DIODOS ESPECIALESPanel Solar

• Una sola célula es capaz de proporcionar medio voltio y genera una potencia entre uno a dos vatios.

• Así pues, si queremos obtener 12V necesitaremos conectar en serie 30 o 40 células.

• Éstas se unen en forma de sandwich con material orgánizo (etilen-vinilo) y se sellan al vacio para evitar que entren agentes externos.

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DIODOS ESPECIALESCaraterísticas eléctricas del Panel Solar

• Corriente de cortocircuito (Isc): Máxima intensidad que podemos obtener en bornes de un panel solar con una resistencia nula, por lo que la ddp será también nula.

• Voltaje en circuito abierto (Voc): Voltaje máximo que se obtiene sin dejar que pase corriente en bornes de un panel (circuito abierto).

• Corriente a un determinado voltaje: Corriente eléctrica producida a un voltaje V a través de un circuito externo y que tiene una resistencia R

• Potencia máxima (Pm): Potencia máxima cuando la R externa haga que tengamos Imax y Vmax.

• Eficiencia total del panel: Cociente entre la potencia eléctrica producida y la potencia de la radiación que incide en el panel.

• Factor de forma (FF): Forma de la curva que define las variables i y v.


• Corriente de cortocircuito (Isc): Voltaje a circuito abierto

• Corriente i con voltaje v a R.

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Si hacemos varias la resistencia externa entre 0 e infinito obtenemos la siguiente gráfica:

Si movemos A hacia la derechala i disminuye.Si quiero cargar una bateria de 12VTendré que poner un panel que de 13V, siempre algo mayor de lo quevoy a alimentar.


Diferentes curvas para varios tipos de paneles solares, a 25ºC y a 1000 W/m2.

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Efecto que sobre la curva i-v tiene la variación de la intensidad radiante


Variación de la potencia en función de la intensidad de la radiación incidente.

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Los paneles de 6 voltios tienen 18 células y los de 12 voltios tienen 36 células, siendo estos los más utilizados.Panel de 33W de potencia con sus medidas.

DIODOS ESPECIALESUnión de paneles solares

Conexión de 4 paneles de 12 voltios en paralelo. Tensión de salida 12V.

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Conexión de 2 grupos en paralelo, cada uno de 2 paneles de 12V. Tensión de salida 24V.


Conexión de 2 grupos en paralelo, cada uno de 4 paneles de 12V. Tensión de salida 48V.

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DIODOS ESPECIALESDiodo Schottky

DIODOS ESPECIALESAplicaciones

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DIODOS ESPECIALESAplicaciones

EL DIODORectificación

Los diodos (y el resto de dispositivos electrónicos) son dispositivos no lineales.

¡Cuidado, no se puede aplicar el principio de superposición!

VEVS

VE

R

VMAX

MAXV

EJEMPLO TÍPICO:RECTIFICADOR

+

-

ID

VD

VE

t

t

VS

t

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Teoria de semiconductores. El Diodo

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