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Temario
6. Diodo
7. El transistor
8. Magnetismo
9. Inducción electromagnética
10. Circuitos de corriente alterna
11. Ondas electromagnéticas
12. Aplicaciones ópticas
Trabajos
Diodo
1. Diodo Zener
2. Diodo LED
3. Fotodiodo
4. Diodo túnel
5. Diodo Schottky
El transistor
6. El JFET, fundamentos y aplicaciones
7. El MOSFET, fundamentos
8. El MOSFET, aplicaciones: circuitos lógicos, memorias, CCDs, TFTs, ...
Grupos 2-4 [email protected]
Presentación: 31 de marzoRevisión: 30 de abril 30 % nota segundo parcial
Materia examen: 2 preguntas
Tema 6: El diodoTema 6. El diodo
Objetivos:– Comprender cualitativamente los fundamentos físicos de la
unión p-n en equilibrio y polarizada.
– Conocer la curva característica I-V de los diodos.
– Saber utilizar las distintas aproximaciones del diodo para resolver circuitos con diodos.
– Conocer algunos diodos especiales: Zener, LED y Schottky.
Tema 6. El diodo
6.1 La unión p-n en equilibrio.
6.2 Polarización del diodo.
6.3 Curva característica del diodo.
6.4 Diodos especiales: Zener, Schottky, LED.
6.5 Aplicaciones: limitador de tensión, rectificador, puertas lógicas.
Introducción
Rectificación de corriente alterna: puente de diodos.
0
Vs Vm
T t0
Ve
-Vm
T tT/2 T/2R
D1 D2
D4D3
A
B
C DVs
Ve
Señal de entrada Puente de diodos Señal de salida
Introducción
Rectificación de corriente alterna: puente de diodos.
0
V s V m
T t 0
V e
- V m
T t T /2 T /2
D 1 D 2
D 4 D 3
A
B
C D V s
V e
Señal de entrada Puente de diodos + condensador
Señal de salida
Introducción: corriente
Desplazamiento:
Difusión:
Densidad de corriente total:
Jpdes=peμp
E Jndes=ne μn
E
Jpdif=−eDp
∇p Jndif
=eDn∇n
J=epμ pnμn E−eDp
∇ peDn∇n
La unión p-n en equilibrio6.1
Banda deconducción
Banda prohibida
Banda devalencia
N
Ev
P
Ec
E (eV)
Ev
Ec0
1
-1
-2Escalade energíaaproximada
N
Ev
Ec
P
Ec
Ev
La unión p-n en equilibrio6.1
Huecos
ElectronesE (eV)
0
1
-1
-2Escalade energíaaproximada
N
Ev
Ec
P
Ec
Ev
La unión p-n en equilibrio6.1
E (eV)
0
1
-1
-2Escalade energíaaproximada
Jpdif
=−eDp∇p
Jndif
=eDn∇n N
Ev
Ec
P
Ec
Ev
La unión p-n en equilibrio6.1
E (eV)
0
1
-1
-2Escalade energíaaproximada
Jpdif
=−eDp∇p
Jndif
=eDn∇n
- +
Jpdes=peμp
E
Jndes=ne μn
E
E
N
Ev
Ec
P
Ec
Ev
La unión p-n en equilibrio6.1
E (eV)
0
1
-1
-2Escalade energíaaproximada
E=qV=−eV
E=qV=eV E
V0
V
e=1,6⋅10−19
- +Ev
Ec
Ec
Ev
La unión p-n en equilibrio6.1
E (eV)
0
1
-1
-2Escalade energíaaproximada
E=qV=−eV
E=qV=eV
NP
E
V0
V
E=qV 0=−eV 0
e=1,6⋅10−19
- +
Ev
Ec
Ec
Ev
La unión p-n en equilibrio6.1
E (eV)
0
1
-1
-2Escalade energíaaproximada
E=qV=−eV
E=qV=eV
NP
E
V0
V
E=qV 0=−eV 0
e=1,6⋅10−19
- +Ev
Ec
Ec
Ev
La unión p-n en equilibrio6.1
E (eV)
0
1
-1
-2Escalade energíaaproximada
E=qV=−eV
E=qV=eV
NP
E
E=qV 0=−eV 0
e=1,6⋅10−19
ρq N D
- q N A
-0
+
- +
Ev
Ec
Ec
Ev
La unión p-n en equilibrio6.1
E (eV)
0
1
-1
-2Escalade energíaaproximada
E=qV=−eV
E=qV=eV
NP
E
E=qV 0=−eV 0
e=1,6⋅10−19
E
- +
Ec
Ev
La unión p-n en equilibrio6.1
E (eV)
0
1
-1
-2Escalade energíaaproximada
NP
E
V0
V
E=qV 0=−eV 0
Jpdif
=−eDp∇p
Jpdes=peμp
E
Jp=pμpeE x−eDpdpdx
=0
−dVdx
=Ex=Dp
pp
dpdx
−dV=V T
dpp
−∫p
ndV=V T∫p
n dpp
np −V n−V p=V T lnpn
pp
V 0=V n−V p=V T lnpp
pn
pp=pneV 0/V T
VT = 0,026 V (300 K)
e=1,6⋅10−19
- +
Ec
Ev
La unión p-n en equilibrio6.1
E (eV)
0
1
-1
-2
NP
E
E=qV 0=−eV 0
Jpdif
=−eDp∇p
Jpdes=peμp
E
np-2
Escalade energíaaproximada
V 0=V T lnpp
pn
V 0=V T lnN A ND
n i2
pp≈N A , np≈n i
2
N A
nn≈ND , pn≈ni
2
ND
pp≈N A nn≈ND
pnnp
VT = 0,026 V (300 K)
e=1,6⋅10−19
- +
Ec
Ev
La unión p-n en equilibrio6.1
E (eV)
0
1
-1
-2Escalade energíaaproximada
NP
E
V0
V
E=qV 0=−eV 0
Jn=nenE xeDn
dndx
−dVdx
=Ex=−Dn
nn
dndx
dV=V T
dnn
∫p
ndV=V T∫p
n dnn
np V n−V p=V T lnnn
np
V 0=V n−V p=−V T lnnp
nn
Jndif
=eDn∇n
Jndes=ne μn
E
np=nne−V 0/V T
VT = 0,026 V (300 K)
e=1,6⋅10−19
- +
Ec
Ev
La unión p-n en equilibrio6.1
E (eV)
0
1
-1
-2
NP
E
E=qV 0=−eV 0
np
pp≈N A , np≈n i
2
N A
nn≈ND , pn≈ni
2
ND
-2Escalade energíaaproximada
V 0=−V T lnnp
nn
V 0=V T lnN A ND
n i2
Jndif
=eDn∇n
Jndes=ne μn
E
pp≈N A nn≈ND
pnnp
VT = 0,026 V (300 K)
e=1,6⋅10−19
- +
Ejemplo 10-16.1
Calcula la diferencia de potencial en la unión pn de un diodo de germanio, dopado con antimonio en una concentración de 4·1022 m-3 en su zona n, y con indio en una concentración de 3·1022 m-3 en su zona p, a 300 K.
V 0=V n−V p=V T lnNAND
ni2
=0,026⋅ln 3⋅1022⋅4⋅1022
2,36⋅1019 2=0,379 V
La unión p-n en equilibrio6.1
La unión p-n: efecto fotovoltaico
Ec
Ev
E
NP
V0
V
Jdes
Jdif
- +
La unión p-n en equilibrio6.1
La unión p-n: efecto fotovoltaico
Ec
Ev
E
+
NP
V0
V
-
- +
La unión p-n en equilibrio6.1
La unión p-n: efecto fotovoltaico
E
+
NP
V0
V
-
Ec
Ev
I- +
Polarización del diodo6.2
Ip
n
p
n
Polarizacióndirecta
Polarizacióninversa
+- + -
Polarización directa6.2
NP
E
V0
V
E=qV 0=−eV 0
VD
I- +
Equilibrio:
Polarización directa6.2
NP
E=q V 0−V D =−eV 0−V D
+ -
E
VD
I
VV0 - VD
VD<V
0
- +
Polarización directa6.2
NP
+ -
V
VD
I
E=q V 0−V D =0
VD=V
0
0
Polarización directa6.2
NP
+ -
V
VD
IE
E=q V 0−V D =−eV 0−V D 0
V0 - VD
VD>V
0
+ -
Polarización inversa6.2
NP
E
V0
V
E=qV 0=−eV 0
VI
I- +
Equilibrio:
Polarización inversa6.2
E
V0+VI
V
E=qV 0=−eV 0V I
VI
I
- +V
I NP
Portadores minoritarios
- +
Polarización inversa6.2
NP
E
V0+VI
V
E=qV 0=−eV 0V I
VI
I
- +V
I
Portadores minoritarios
- +
Polarización inversa6.2
NP
E
V0+VI
V
E=qV 0=−eV 0V I
VI
I
- +V
I
Portadores minoritarios
- +
Curva característicadel diodo
6.3
Polarización directa:
Polarización inversa:
I0 corriente máxima en
polarización inversa (µA)
IV
I
V-0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
V(V)
I (m
A)
Vu
Tensiónumbral
I=I0eV
ηVT−1
I0 (A)-0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
V(V)
I (m
A)
Diodo rectificador:1a aproximación
6.3
≃
diodoideal
-0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
V(V)
I (m
A)
V = Vu
V = ε0
Diodo rectificador:2a aproximación
6.3
≃ ε0
Vu Tensión umbral
-0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
V(V)
I (m
A)
Diodo rectificador:3a aproximación
6.3
≃
Vu Tensión umbral
V = Vu + Ir d
V = ε0 + Ird
ε0r d
Aproximación lineal
-0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
V(V)
I (m
A)
Recta de cargaPunto de trabajo Q
6.3
i
V SR
V d
Puntos de corte con los ejes:
Al punto de corte con el eje Vd se le llama "Corte" y al punto de corte con el eje I se le llama "Saturación".
V S
R
V S
Q
V d=0 ⇒ I=V S
R
I=0 ⇒ V d=V S
V S=V dIR
I=V S
R−
V d
R
I=I0eV d / V T −1
-0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
V(V)
I (m
A)
Recta de cargaPunto de trabajo Q
6.3
i
V S=V dIR
I=V S
R−
V d
R
12
V d
Puntos de corte con los ejes:
0,72 V
V S
Q
V d=0 ⇒ I=V S
R
I=0 ⇒ V d=V S
=0,7212
=60mA
=0,72
0,50 0,52 0,54 0,56 0,58 0,60 0,62 0,64 0,66 0,68 0,70 0,72 0,740
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
V(V)
I (m
A)
Recta de cargaPunto de trabajo Q
6.3
i
V S=V dIR
I=V S
R−
V d
R
12
V d
Puntos de corte con los ejes:
V S
R=60mA
Q
0,72 V
0,664 V
4,37 mA
Recta de carga:
V d=0,664 V I=4,37 mA
V S
Puntos de corte con los ejes:
=0,7212
=60mA
=0,72
V d=0 ⇒ I=V S
R
I=0 ⇒ V d=V S
Recta de cargaPunto de trabajo Q
6.3
i
12
V d
0,72 V
Primera aproximación:
V d=0 I=0,7212
=60 mA
Segunda aproximación:
V d=0,68 I=0,72−0,6812
=3,33 mA
Tercera aproximación:
V d=0,68 I=0,72−0,68122,27
=2,8 mA
Recta de carga:
V d=0,664 V I=4,37 mA
Parámetros del diodo
0,50 0,52 0,54 0,56 0,58 0,60 0,62 0,64 0,66 0,68 0,70 0,72 0,740
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
V(V)
I (m
A)
V d=0,68 V
V
I
r=V I
=0,05 V22mA
=2,27
Influencia de la temperatura
6.3
-0.1
0
0.1
0.2
-70 -20 30 80V (mV)
I (m
A)
300 K310 K320 K
Ejemplo 10-26.3
Calcula la intensidad que circula por el diodo de la figura, utilizando las tres aproximaciones del diodo.
35 kΩ
0,7 V 0,23 Ω
10 V
i i= 1035⋅103
=0,286⋅10−3 A=0,286 mA
10 V
i
35 kΩ
0,7 V 0,23 Ω
i=10−0,735⋅103
=0,265 mA
i= 10−0,735⋅103
0,23=0,2657 mA
Ejemplo 10-36.3
Calcula la intensidad que circula por el diodo de la figura.
70 kΩ
10 kΩ30 kΩ
0,7 V
0,5 Ω20 V
70 kΩ
10 kΩ
30 kΩ
0,7 V
0,5 Ω
20 V J 2
20−0,7= 80 −10
−10 40,005 I1I2
I2=∣80 20−10 −0,7∣
∣80 −10−10 40 ,005∣
=46,4 μA
Ejercicio 46.3
Calcula la corriente que circula por el circuito de la figura, utilizando las tres aproximaciones para el diodo:a) Diodo ideal.b) Segunda aproximación.c) Tercera aproximación.La tensión de codo del diodo es de 0,7 V, y su resistencia de 0,23 Ω.
Ωk1 5 V
I= 51000
=0,005 A=5 mAa)
I=5−0,71000
=0,0043 A=4,3 mA
I= 5−0,710000,23
=4,299⋅10−3=4,299 mA
b)
c)
Ωk1 5 V
I
Ωk1 5 V
I
0,7V
Ω23,0
Ωk1 5 V
I
0,7V
Ejercicio 76.3
Calcula la corriente que circula por el diodo de la figura, sabiendo que se trata de un diodo de Germanio cuya tensión de codo o tensión umbral es de 0,3 V.
12V30 kΩ
10 kΩ5 kΩ
12−0,3=40 −10
−10 15 I1I2 12V
30 kΩ
10 kΩ 5 kΩ
0,3V
I1
I2
I2=∣40 12−10 −0,3∣∣40 −10−10 15 ∣
=−12120600−100
=108500
=27125
=0,216 mA
Aplicaciones del diodo6.5
Rectificación de media onda:
t
Ve
~ Vsalidat
Vs
Ve R
Aplicaciones del diodo6.5
~
~
R
t
Vs
Ve
Ve
A
B
D C
Vs Vs
Puente de diodos: rectificación de onda completa
Aplicaciones del diodo6.5
Puente de diodos: rectificación de onda completa
t
V
R
~
~ A
B
D C
~
~
R
t
V
A
B
C D
t
V
Tensión a la salida de un puente de diodos con condensador
Diodo Zener6.4
Curva característica de un diodo Zener
-0.2
-0.1
0.0
0.1
0.2
-100 -50 0 50 100V (mV)
I (m
A) Vz
Vz Tensión Zener
Diodo Zener6.4
Modelización del diodo Zener en inversa:
Curva característica de un diodo Zener
-0.2
-0.1
0.0
0.1
0.2
-100 -50 0 50 100V (mV)
I (m
A)
Vz
Vz Tensión Zener
R
V0 Vs< Vz1
Vz
R
V0 Vs = Vz2
1
2
Diodo Zener6.5
Aplicación del diodo Zener: mantener constante un valor de la tensión.
t
V
t
VVs = Vz
VzV0
Vs
Vrizada
Diodo Schottky6.1
Banda deconducción
Banda prohibida
Banda devalencia
N
Ev
conductor
Ec
Diodo Schottky6.1
N
Ev
conductor
Ec
Ev
Ec
Diodo Schottky6.1
N
Ev
conductor
Ec
Ev
Ec
Diodo Schottky6.1
V0
V
N
Ev
conductor
Ec
Ev
EcJn
des=ne μnE
E- +
Diodo Schottky6.1
Ev
conductor
Ec
Ev
Ec
V0
E=qV 0=−eV 0
N
Jndes=ne μn
E
V
E- +
Diodo Schottky: directa6.1
Ev
conductor
Ec
V0
E=q V 0−vD =−eV 0−vD
N
Jndes=ne μn
E
V
E
vD
- +
Diodo Schottky: inversa6.1
Ev
conductor
Ec
V0
E=q V 0V I =−eV 0V I
N
Jndes=ne μn
E
V
E
v I
- +
Diodo Led6.4
LED Light Emitting DiodeDiode
Polarización directa6.2
NP
E=q V 0−V D =−eV 0−V D
+ -
- +E
Jdes
Jdif
VV0 - VD
VD
Diodo Led6.4
P
N
+
-
ΔE=hfh = constante de Planck
6,6·10-34Js
Diodo Led6.4
Material DopanteLong. de onda (nm)
Color
GaAs Zn 900 IR
GaAs Si 900 – 1020 IR
GaP N 570 Verde
GaP N, N 590 Amarillo
GaP Zn, O 700 Rojo
GaAs0.6P0.4 -- 650 Rojo
GaAs0.35P0.65 N 632 Naranja
GaAs0.15P0.85 N 589 Amarillo
SiC -- 490 Azul
ZnSe -- 490 Azul
λ=cf=
chΔEλ longitud de onda
Diodo Led6.4
V (V)
I
1 2 3
Cátodo Ánodo
Diodo Led6.4
diodo rectificadordiodo rectificadordiodo LEDdiodo LED
-2E-06
0
2E-06
4E-06 I(
A)
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
-0.5 -0.3 -0.1 0.1 0.3 0.5 V(v)
Io
Vc
fotón
ΔE=Eg e=3,2·10−19 J
λ=chΔE
=3 ·108ms−1·6,6·10−34 Js
3,2·10−19 J=619nm
2V≤V c≤3V
EgAsGaP
≃2eV
Ejercicio 12
Ve
R=2kΩ
Vs
T
20V
0
2T
Ve
t
R=2kΩ
VsVe20 V
0
2T
Ve
t
- +
0 V0
2T
Vs
t
+
Ejercicio 12
Ve
R=2kΩ
Vs
T
20V
0
2T
Ve
t
R=2kΩ
VsVe
20 V
T2T
Ve
t
- +
-
20 V
T2T
Vs
tI
Ejercicio 12
Ve
R=2kΩ
Vs
T
20V
0
2T
Ve
t
0
2T T
Vs
20V
Ejercicio 12
Ve
R=2kΩ
Vs
T
20V
0
2T
Ve
t
2T T
20-0,7=19,3V
0
Vs
Ejercicio 14
R
D1D2
D4D3
A
B
CDVs
Ve
T
20V
0
2T
Ve
t
+
Vs
_
Ve _ +0
Ve Vm
0
Vs Vm
T/2 T/2
A
B
C D
Ejercicio 14
R
D1D2
D4D3
A
B
CDVs
Ve
T
20V
0
2T
Ve
t
+
Vs
_
Ve
_ +0
Vs Vm
T t0
Ve
-Vm
T tT/2 T/2
A
B
C D
Ejercicio 14
R
D1D2
D4D3
A
B
CDVs
Ve
T
20V
0
2T
Ve
t
0
Vs
(Vm – 1.4) (V)
T tT/2