TEORÍA DEL INGENIERO CORTEZ DE LA UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

1. El diodo de unión
• La unión PN en equilibrio.
• Polarización del diodo. Polarización
directa e inversa.
• Curva característica. Influencia de la
temperatura.
• El diodo como rectificador.
• El diodo Zener.
• Diodos LED
• El diodo Schottky

2. La unión PN en equilibrio
P N
IIpdif
pdes IIndes
ndif
030 K0 K
V0 E
A temperatura ambiente, los
huecos de la zona p pasan por
difusión hacia la zona n y los e-de
la zona n pasan a la zona p.
En la zona de la unión, huecos y
e- se recombinan, quedando una
estrecha zona de transición
con una distribución de carga
debida a la presencia de los
iones de las impurezas y a la
ausencia de huecos y e-.
Se crea, entonces un campo
eléctrico que produce
corrientes de desplazamiento,
que equilibran a las de
X difusión. p Xn

3. La unión PN en equilibrio
pp0 » NA nn0 » ND
np0 pn0
Distribución de las concentraciones
de portadores de carga
r q N D
Xp Xn
-
- q N A
0
+
Distribución de carga
E
Xp Xn
Campo eléctrico en el diodo
Diferencia de potencial
V0
V
Xp Xn

4. La unión PN en equilibrio
n0
p
V = V - V = V ln =
0 xn xp T n
p0
T
p0
n0
V lnn
p
VT = 0.026 V a 300 K
Sustituyendo los valores de las concentraciones de impurezas:
V = V - V = V lnN N
A D
0 xn xp T n
2
i
V0 se llama PPootteenncciiaall ddee ccoonnttaaccttoo y representa la diferencia de
potencial entre los extremos de la zona de transición con la unión en
circuito abierto y en equilibrio.
V0 = 0.7 V para diodos de Si y V0 = 0.3 V para diodos de Ge, a 20 ºC

5. Polarización del diodo
Polarización directa
E
I VD
V0
V0 - VD
VD crea un campo eléctrico opuesto al de la unión, disminuye el Etotal en la unión y
la barrera de potencial: V´=V0-VD, y aumenta la corriente de mayoritarios por
difusión.

6. Polarización inversa
E
VI I0 <<<<
V0 + VI
V0
VI crea un campo eléctrico en el mismo sentido que el de la unión, aumenta el Etotal,
aumenta la diferencia de potencial: V´=V0+VI, y disminuye la corriente de mayoritarios.
Favorece el desplazamiento de huecos hacia la zona p y de e- hacia la zona n,
ensanchándose la zona de transición. Pero estos h+ y e- provienen de zonas donde son
minoritarios. El resultado es que fluye una pequeña corriente I0, debida únicamente a
los pares e-h+ que se generan por agitación térmica llamada CCOORRRRIIEENNTTEE IINNVVEERRSSAA
DDEE SSAATTUURRAACCIIÓÓNN..

7. El diodo: dipolo no lineal
R
mA mV
0
I
V

8. Curva característica
I = I æe VT -1
ö çè
V = kT
e
T q
0,15
0,05
0,2 0,4 0,6 0,8
VT(300 K) = 25.85 mV
k (Constante de Boltzmann) = 1.38·10-23 JK-1
÷ø
V
0
-0,05
V (V)
I (mA)
Io
I0: Corriente inversa de saturación
I0 < mA

9. Aproximaciones o modelos del diodo
En el modelo del diodo ideal se
equipara éste a un cortocircuito o a
un circuito abierto, según cómo
esté conectado.
R
I I
I
1ª aproximación: diodo ideal
R
V
I

10. Aproximación lineal (2ª)
Se considera que el diodo conduce sin
resistencia por encima de la tensión umbral, y
no conduce por debajo de la misma. Esto
equivale a considerar un diodo como un
interruptor o un diodo ideal en serie con un
receptor.
VU= 0.3 V para el diodo de Ge
VU= 0.7 V para el de Si.
5.3 mA
= 0 - = 6 - 0.7 =
1
I V VU
R k
VU V
I
R=1kW
V0 = 6V
I VU=0.7 V
R=1kW
I
V0 = 6V

11. Aproximación lineal (3ª)
La 3ª aproximación es
un diodo ideal con una
resistencia en serie y
una fuente de tensión.
R=1kW
0,15
0,05
V0 = 6V I Rd = 500 W
VU=0.7 V
DV
3.5mA
V = Vu + IRd
0 6 0.7 =
1000 +
500
I V VU
= - = -
R
R=1kW
V0 = 6V I
-0,05
V (V)
I (mA)
Io
0,2 0,4 0,6 V 0,8 u
DI
Rd = DV/DI

12. Tres modelos de diodo
ID
VD
Diodo ideal
(1ª aproximación)
ID
VD
RD RD VU
VU
Modelo lineal
(3ª aproximación)
VU
ID
V VD U
Modelo simplificado
(2ª aproximación)

13. Influencia de la temperatura
0.2
0.1
0
-0.1
E
-70 -20 30 80 V (mV)
I (mA)
300 K
310 K
320 K
V = kT
e
T q
kT
3
0
g
I CT e
-
=
Eg: Anchura de la banda prohibida en J y 300 K.
k: Constante de Boltzmann.
C: Coeficiente característico de cada semiconductor.

14. Capacidad de la unión p-n
V0

E
p n
xp xn
-qNA +qND
-qNA +qND xp xn
Varactores

15. El diodo como rectificador
t
V
~ salida
t
V
t
V
DDee m meeddiaia o onnddaa::
DDee o onnddaa c coommppleletata::
~
Salida
~

16. Diodo Zener
El diodo Zener funciona en
polarización inversa utilizando
el fenómeno de conducción por
ruptura o avalancha.
Para una tensión inversa dada,
llamada tensión Zener, ésta se
mantiene constante aunque la
corriente varíe.
En polarización directa
funciona como un diodo
normal.
TTeennsisóiónn Z Zeenneer r
Vz
V
I

17. Región Zener
Se debe a una fuerte generación de portadores en la
zona de transición debido a estas dos causas:
• Multiplicación por avalancha
• Ruptura Zener
En la práctica, ambos fenómenos se confunden. Se habla
de “zona zener” y de “tensión zener” y de “zona de
avalancha” y de “tensión de avalancha”.

18. Multiplicación por avalancha
Se produce con tensiones inversas mayores de 5 V. El campo eléctrico acelera
los ppoorrttaaddoorreess mmiinnoorriittaarriiooss que atraviesan la zona de transición con la energía
cinética suficiente para romper enlaces covalentes generando más portadores. Si
el campo es suficientemente intenso, los nuevos portadores vuelven a chocar y
generar más portadores. Se produce una reacción en cadena que genera
muchísimos portadores. El dopado controla el fenómeno de avalancha: cuanto
más débil es, a mayor tensión se produce.
zona de transición
PP l ilgigeerraammeenntete d dooppaaddoo avalancha de electrones
NN a altlatammeenntete d dooppaaddoo
Portador
minoritario

19. Ruptura Zener
Para tensiones por debajo de 5 V. El campo eléctrico es suficientemente
intenso como para romper directamente enlaces. Ambos dopados deben ser
muy intensos (»1024 átomos/m3 ).
zona de transición
PP a altlatammeenntete d dooppaaddoo NN a altlatammeenntete d dooppaaddoo

20. Modelización del diodo Zener
R
V0 VVz
s
Vz


V
I
R
V0 Vs< Vz

No conduce
Vs< Vz
Vs= Vz 
Vz
R
Conduce
V0 Vs= Vz

21. Diodo Zener: aplicaciones
Vs Vs = VZ= 5V
Vz=5V
R=1kW
V0 = 6V I
Las tensiones Vz» [3 - 20V]
1mA
I = V0 - Vz = 6 - 5
=
1k
R
P = VzI = 5V·1mA = 5 mW
t
Regulador de
tensión
Atenuador de
rizado
V
t
V
Vs = Vz
Regulador de
tensión
Atenuador de
rizado
VV z 0
Vs
Vrizada

22. Diodo Schottky
•Basado en una unión metal–semiconductor.
•No existen portadores minoritarios en la
parte metálica, por lo que el tiempo de
recuperación inverso es mucho menor.
•Se polariza de modo directo conectando el
semiconductor tipo n al cátodo, y el metal al
ánodo
•Existe zona de carga espacial sólo en el lado
semiconductor.
•El flujo de corriente no se debe a la difusión
de portadores como en la unión p-n.
•En ambos lados el portador mayoritario es el
electrón.
•Rectifica corrientes alternas del orden de los
GHz.
-
metal (W,
Mo,...)
n
+
+ -
+ -
+ -
+ -
+ -
+ -
+ -
+ -
+ -
+ -

23. Diodos emisores de luz (LED)
En cualquier unión p-n polarizada de
modo directo existe en la zona de
unión una recombinación de huecos y
electrones.
En los diodos de silicio y germanio la
energía emitida en la recombinación
es mayoritariamente en forma de
calor.
En los de GaAsP y GaP es, de modo
significativo, en forma de luz visible:
electroluminiscencia.
BANDA DE CONDUCCIÓN
FOTÓN
BANDA DE VALENCIA
P N

24. Color de la luz emitida por LED
GaAs dopado con Zn
GaP dopado con Zn
GaAs0.6P0.4
GaAs0.35P0.65
GaAs0.15P0.85
GaP dopado con N
SiC, ZnSe
IR
V (V)
I
1 2 3

25. Intensidad a través del diodo
0.7 V
10 V
35 kW
i
2 kW
7 V
i

26. Intensidad a través del diodo
30 kW
10 kW
0.3 V
5 kW
12 V
i2 i1
i
12 = 30i + 5i1 + 0.3
12 = 30i + 10(i - i1)
Þ i1= 0.216 mA

27. Intensidad a través del diodo
70 kW
10 kW
0.7 V
0.25 W
30 kW
20 V
J2
= - -
J2 = m
43.6 A
80 20
10 0.7
80 10
10 40
-
-
Tema siguiente

28. El diodo como rectificador
t
5 V
0,7 V
V
4,3 V
Si Vu = 0,7 V
~ salida