Diodos

Diodos[pic 1]

Dr. Ricardo Cajo

Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL) rcajo@espol.edu.ec

[pic 2]Conductores

• Tienen una estructura atómica que facilita la conducción        de electrones creando un flujo eléctrico.
• Plata, cobre, plomo, níquel.

Semiconductores

• Son materiales que

cambian        su

conductividad acorde con su temperatura, temperaturas bajas actúa como aislante y temperaturas altas como conductor.

• Silicio y Germanio

Aislantes

• Su estructura atómica dificulta crear un flujo de electrones.
• Vidrio, diamante, teflón.

[pic 3][pic 4]

[pic 5][pic 6]Para un semiconductor:[pic 7][pic 8][pic 9]

• n es la concentración de electrones libres.
• p es la concentración de huecos.

Estructura Cristalina de

Silicio

[pic 10]

Si a un cristal puro como los descritos anteriormente se le añade de manera uniforme cierto tipo de impurezas, por ejemplo átomos pentavalentes o trivalentes.

Las impurezas que se agregan son cantidad ínfimas en proporción de 1 en 106 átomos de cristal puro. Sin embargo esto puede alterar las bandas de energía lo suficiente para cambiar totalmente las propiedades eléctricas.

Existen dos materiales extrínsecos de importancia:

• Materiales tipo n.
• Materiales tipo p.

Es fabricado añadiendo a una red cristalina pura de Silicio o Germanio elementos pentavalentes (5 electrones de valencia), por ejemplo el Antimonio, Arsénico, Fósforo.

Como se observa en la Figura, hay un quinto electrón adicional del Sb (Antimonio) que no está formando un enlace covalente particular, que muy fácilmente puede transformarse en electrón libre.

Puesto que el átomo de impureza insertado ha donado un electrón a la estructura, se lo denomina átomo donante

[pic 11]

Estructura de Si dopada

con Sb

[pic 12]

A temperatura ambiente, hay un gran número de electrones en el nivel de conducción, por lo que la conductividad del material aumenta.

[pic 13]

[pic 14]Se crean añadiendo átomos trivalentes (tres electrones de valencia), tales como el Boro, Galio a una base de Silicio o Germanio puro.

[pic 15]

Puesto que la impureza agregada es capaz de aceptar un electrón, se le denomina átomo aceptor.

[pic 16]

Debido al átomo aceptor menos energía es necesaria para conducir o producir un flujo de electrones.

Estructura de Si dopada[pic 17]

con B

[pic 18]

Diodo semiconductor es un dispositivo electrónico de dos terminales        construido        en        base        a        materiales[pic 19]

semiconductores.        Símbolo del Diodo

Diodo Ideal:

El comportamiento de un diodo ideal se asemeja al comportamiento de un simple interruptor bipolar.[pic 20]

1. Cuando el voltaje aplicado es mayor que cero, el diodo actúa como un cortocircuito.[pic 21]

2. Cuando el voltaje aplicado es menor que cero, el diodo actúa como un circuito abierto.

EJEMPLO[pic 22][pic 23]

[pic 24]

Los        materiales        usados        comúnmente        para        la        construcción        de        dispositivos (elementos) semiconductores son:

• Silicio (Si)

• Germanio (Ge)

Para mejorar las características de los elementos antes mencionado se usa un elemento adicional (ej., pentavalente o trivalente):

• Semiconductores tipo n

• Semiconductores tipo p

Representación de un diodo común, con la unión de materiales tipo p y materiales tipo n.[pic 25]

Materiales tipo P

(Átomo aceptor)

Materiales tipo N (Átomo donante)

[pic 26]

A una temperatura constante y en ausencia de un potencial eléctrico externo, tanto la

región n como la región p son eléctricamente neutras bajo condiciones de equilibrio.

Se ha logrado demostrar que en condiciones de equilibrio y en ausencia de polarización externa, el comportamiento del diodo es regulado por:

• 𝐼𝑟        es la corriente de recombinación dada por el número real de portadores

que atraviesan la barrera.

• 𝐼𝑟𝑜 es la corriente de recombinación inicial dada por el número neto de

𝐼𝑟 = 𝐼𝑟𝑜𝑒

𝑉𝐶

𝑉𝑇        [A][pic 27][pic 28]

portadores que inician el camino a través de la unión.

• 𝑉𝑇 es el voltaje térmico ≈26 [mV].

𝑉𝑇 =

𝑘𝑇        [V][pic 29]

𝑞

• 𝑉𝐶 es el voltaje de barrera, que tiene los valores aproximados de 0.6 [V] o

0.3 [V] dependiendo del material.

• K es la contante de Boltzmann= 1.38x10−23𝐽/𝐾
• T es la temperatura absoluta en Kelvin =273 + la temperatura en °C.
• q es la magnitud de la carga del electrón = 1.6x10−19𝐶

En caso de existir una tensión externa inversa tenemos que la corriente de saturación es igual a la corriente de recombinación.[pic 30]

[pic 31]𝐼𝑟 = − 𝐼𝑠

𝐼𝑠

Si --- 1 – 10nA

Ge --- 1 – 2 uA

[pic 32]

A una temperatura de 27°C (temperatura común para componentes en un sistema de operación cerrado), determine el voltaje térmico VT:

T = 273 + °C = 273 + 27 = 300 K

[pic 33]

Si aplicamos una tensión externa (voltaje) de modo que el ánodo del elemento se conecta al terminal positivo de una batería, y el cátodo al terminal negativo, estamos polarización directamente al diodo; y en consecuencia tenemos:

...