Diodos.docx

1

Diferencias físicas y eléctricas entre el diodo PN y el diodo PIN Susana Aragadvay 921 [email protected] Escuela Superior Politécnica de Chimborazo

Abstract— Electrical connectors are perhaps one of the most influential factors for the proper operation of an electrical installation. Depending on the situation in which the facility is installed and leave as electric cables, it should perform the most perfect splice. In this paper the results obtained are shown in practice that aimed to know the different types of electrical connectors and the importance of carrying out this process correctly and avoiding accidents or serious damage to electrical installations. Index Terms: Diodo, semiconducor

I.

INTRODUCCIÓN

Un convertidor electrónico es en realidad un dispositivo que se comporta como un interruptor y que está construido con semiconductores, ya sean diodos, transistores de potencia, tiristores, GTO, IGBT, BJT, MOSFET, tiristores. Uno de los dispositivos más importantes de los circuitos de potencia son los diodos, aunque tienen, entre otras, las siguientes limitaciones: son dispositivos unidireccionales, no pudiendo circular la corriente en sentido contrario al de conducción. El único procedimiento de control es invertir el voltaje entre ánodo y cátodo. Los diodos de potencia se caracterizan porque en estado de conducción, deben ser capaces de soportar una alta intensidad con una pequeña caída de tensión. En sentido inverso, deben ser capaces de soportar una fuerte tensión negativa de ánodo con una pequeña intensidad de fugas. II. DIODO P-N A. Características físicas La unión p-n es un dispositivo de dos terminales que, dependiendo de sus condiciones de polarización, de dopado, así como de su geometría física, puede ejercer diferentes funciones dentro de un circuito electrónico. Podemos encontrar uniones p-n haciendo funciones de rectificación, de regulación de tensión, de varistor (resistencia variable). (Univesidad de Valencia)

Fig.1 Esquema del diodo pn

B. Características eléctricas Este tipo de diodo es un material semiconductor compuesto por dos regiones, una tipo p y otra tipo n, formando así una unión p-n. La característica más importante de las uniones p-n es que son rectificadoras, es decir, permiten el paso de corriente en un único sentido. La figura 2 muestra la característica corriente-tensión típica de una unión p-n. Cuando se aplica sobre ella una polarización directa, la corriente se incrementa rápidamente con el incremento de la tensión. Sin embargo, cuando se le aplica una polarización inversa, inicialmente la corriente no circula. Si la tensión inversa aumenta, la corriente permanece con un valor casi nulo hasta que se alcanza un valor de tensión crítico, momento en el cual la corriente se incrementa repentinamente. Este aumento repentino es conocido como ruptura de la unión. La tensión aplicada en polarización directa es normalmente menor de 1 V, pero la tensión inversa de ruptura puede variar entre unos cuantos voltios y cientos dependiendo de la concentración de dopados y de otros parámetros del dispositivo. (ETIS)

Fig.2 Característica I-V de la unión p-n típica

Resultando de la representación gráfica la relación I = f(V), teóricamente aproximada por la ecuación de Shockley:

En donde: Io= Corriente inversa de saturación. q = 1,6x10-19 culombios (carga del electrón). T = Temperatura absoluta en ºK. K = Constante de Boltzman. η = 1 para Ge y 2 para Si, en corrientes moderadas. VT= KT/q = T/11.600, para T = 300 K ⇒ VT= 26 mV. La unión p-n juega un papel muy importante tanto en las aplicaciones de la electrónica moderna como en el entendimiento de otros dispositivos semiconductores. Su mayor utilización se produce en procesos como la rectificación, la conmutación y otras operaciones dentro de circuitos electrónicos. También constituye el bloque básico

2 para otros dispositivos electrónicos como pueden ser los transistores bipolares, tiristores, JFETs, MOSFETs. Para condiciones de polarizaciones idóneas o expuestas a la luz, la unión p-n también se utiliza para funciones en campos como las microondas o la óptica.

diodo y su valor se distingue por Io, presentando una fuerte dependencia de la temperatura. III. DIODO P-I-N A.

Características físicas

1) Unión p-n, polarizada directamente La unión p-n está polarizada directamente, cuando a la región p se le aplica un potencial superior al de la región n.

Fig.5 Esquema físico del diodo

Fig.3 Diodo polarizado directamente

Los huecos de la región p y los electrones de la región n, son empujados hacia la unión, por el campo eléctrico a que da lugar la polarización, reduciendo la anchura de la zona de transición. El campo eléctrico de la polarización se opone al de la unión reduciendo este, y también la barrera de potencial que sin polarización era Vo y con polarización directa Vo-V. La reducción del campo eléctrico de la unión reduce el efecto de arrastre. Al ser la zona de transición más estrecha, aumenta el gradiente de las concentraciones en ella y consecuentemente, aumenta el efecto de difusión. No se alcanza el equilibrio, produciéndose una circulación neta de carga por el circuito, de forma que la corriente en la unión es por difusión y fuera de ella por arrastre. (ETIS) 1)

Unión p-n, polarizada inversamente

Una unión p-n está polarizada inversamente, cuando a la región p se le aplica un potencial inferior al de la región n. Los portadores mayoritarios (huecos de p y electrones de n) de ambas regiones tienden a separase de la unión, empujados por el campo eléctrico a que da lugar la polarización, aumentando la anchura de la zona de transición. El campo eléctrico en la unión aumenta reforzado por la el de la polarización del mismo sentido, y la barrera de potencial pasa a ser Vo+V.

El diodo p-i-n presenta una región p y una región n altamente dopadas, y separadas por una región intrínseca con resistividad más elevada que las regiones p y n. Estos dispositivos son ampliamente usados en aplicaciones tales como desplazadores de fase y conmutadores de señales microondas. Los dispositivos diseñados con diodos p-i-n se destacan por bajas pérdidas de inserción y elevado desempeño en altas frecuencias. A estas frecuencias, el diodo tiene una impedancia muy alta cuando está inversamente polarizado (circuito abierto) y una impedancia muy baja cuando está polarizado en sentido directo (corto circuito). Además, las tensiones de ruptura están comprendidas en el margen de 100 a 1000 V. (Cortez) Un material altamente dopado significa que tiene un mayor número de impurezas, generalmente de tipo p o de tipo n. Por lo mismo, existirá una menor resistencia al paso de la corriente. Para un material no dopado, es decir intrínseco, presentará una resistencia mucho mayor al paso de la corriente, dependiendo del material semiconductor que se esté utilizando. En la práctica un diodo p-i-n tiene una alta resistividad en la parte media de la zona p o n. Mientras que existe una baja resistividad en los límites en las zonas p y n. La nomenclatura p+ y n+ indica un alto dopaje de los materiales p y n, respectivamente. Se utilizan las letras griegas “π” y “ν” para los materiales altamente resistivos y ligeramente dopados p y n respectivamente. El material usado en la región I puede ser tipo “π” o “v”. En la práctica, generalmente se utiliza el silicio como el material semiconductor, el cual no es perfectamente intrínseco. Utilizando cualquiera de estas dos estructuras no se presentan cambios en el desempeño de un dispositivo. B.

Fig.4 Diodo polarizado inversamente

Solo los portadores minoritarios generados térmicamente en ambas regiones son empujados hacia la unión, así solo los pocos electrones de p, al pasar al lado n formarán con los mayoritarios de esta región una corriente de arrastre, y de similar manera los pocos huecos de n al pasar a p formarán otra débil corriente de arrastre que se sumará a la anterior. Esta pequeña corriente es la corriente inversa de saturación del

Características eléctricas

Un diodo PIN opera bajo lo que se conoce como la inyección de alto nivel. En otras palabras, la región intrínseca "i" se inunda con los portadores de carga de las regiones de "n", "p". Su función se puede comparar a llenar un cubo de agua con un agujero en el lado. Una vez que el agua alcanza el nivel del agujero en el que comenzará a derramar. Del mismo modo, el diodo conducir la corriente una vez que los electrones y los huecos inundados llegan a un punto de equilibrio, donde el número de electrones es igual al número de agujeros en la región intrínseca. Cuando el diodo está polarizado hacia

3 adelante, la concentración de portadores inyectada es típicamente varios órdenes de magnitud más alta que la concentración de portadores nivel intrínseco. Las variaciones de diferentes parámetros del diodo pin dentro de sus secciones:

Fig. 7 Esquema del circuito equivalente del diodo

Fig.6 a) Variación de la carga espacial (Px), b) variación del campo eléctrico (Ex) c) variación del potencial (Vx). Diodo p-i-n en equilibrio, es decir, sin tensión aplicada.

1)

Uso del diodo PIN

Este diodo se puede utilizar como interruptor o como modulador de amplitud de frecuencias de microondas ya que para todos los propósitos se puede presentar como un corto circuito en sentido directo y como un circuito abierto en sentido inverso. La principal ventaja del diodo p-i-n frente a un diodo convencional es la mejora en la respuesta de conmutación de señales microondas. También se lo utiliza para conmutar corrientes muy intensas y/o tensiones muy grandes. Destaca en su utilización como fotodiodo el cual es uno de los fotodetectores más comúnmente utilizados hoy en día en campos que van desde las comunicaciones en fibra óptica hasta la electrónica de consumo. Esto se debe principalmente a su elevado índice de eficiencia respecto a otros dispositivos similares debido a la zona intrínseca, entendiendo por eficiencia la proporción entre la luz que le llega y la que es capaz de absorber y convertir en corriente eléctrica. (Pavón) 2)

Funcionamiento del diodo PIN

A frecuencias más altas el diodo se parece a una resistencia casi perfecta es decir que hay una gran cantidad de carga almacenada en la región intrínseca. A bajas frecuencias, la carga se quita y el diodo se apaga. Si el diodo esta polarizado en sentido directo los huecos del material P se difunden en la región P-I creando una capa P de baja resistividad, como ya sabemos la corriente es debido al flujo de los electrones y de los huecos cuyas concentraciones son aproximadamente iguales en la región I, la condición de polarización directa la caída de tensión en la región I es muy pequeña debido a que la zona de agotamiento es muy estrecha e igual que el diodo PN, si se aumenta la corriente también disminuye la resistencia.

Cuando se manejan frecuencias bajas en un diodo p-i-n los efectos reactivos que se presentan en las uniones se consideran despreciables. Estos efectos son asociados con la difusión de portadores a través de la unión. En estado de baja impedancia, situación de polarización directa, el diodo tiene una excelente linealidad y baja distorsión. En estado de alta impedancia, situación de polarización inversa, la región intrínseca produce valores muy altos de voltaje de ruptura e impedancia. Así proporciona una buena aproximación a un circuito abierto. La presencia de la región intrínseca permite obtener características operacionales muy deseables para aplicaciones de conmutación. A medida que el ancho de la región intrínseca (I) aumenta, la capacitancia formada en las uniones del diodo disminuye. Esta característica es benéfica en la conmutación de señales de microondas, puesto que una capacitancia baja y una alta impedancia del diodo p-i-n en situación de polarización inversa, hacen posible que el diodo se comporte como un circuito abierto La velocidad a la cual el diodo p-i-n puede ser conmutado desde una baja impedancia (polarización directa) a una alta impedancia (polarización inversa) es determinada por la velocidad a la cual la carga libre puede ser extraída del diodo. Los diodos con región intrínseca larga y gran área de sección transversal, almacenarán más carga y por lo tanto percibirán tiempos más largos para conmutar. El tiempo de conmutación actual tiene dos componentes: El tiempo requerido para remover mayor parte de la carga de la región intrínseca, llamado tiempo de retardo. El tiempo durante el cual el diodo está cambiando del estado de baja impedancia al de alta, llamado tiempo de transición. 3) Modelado de los diodos p-i-n Se pueden diseñar diferentes tipos de diodos p-i-n con las mismas características de Rs y CT con solo variar el ancho “W” y área “A” de la región I. Con una región I más gruesa se puede lograr mejores propiedades para la distorsión, si por el contrario, el dispositivo es más delgado la velocidad de conmutación será mucho más rápida.

Como la región intrínseca es altamente resistiva, la zona de agotamiento se extiende hasta las regiones de alta conducción, incluso aun cuando no se ha polarizado al diodo. Se dice que la capacitancia equivalente del diodo no se ve alterada por el voltaje suministrado. La siguiente figura muestra el circuito equivalente del diodo. Fig.8 Diodo pin

4 Para poder determinar la distorsión producida y la frecuencia más baja a la que puede operar el diodo p-i-n está el parámetro tiempo de vida de portadores, “τ”. El valor de τ de un diodo pi-n está determinado por el ancho W de la región I, el cual es otro parámetro de gran importancia. a)

Modelo de baja frecuencia

Se muestra la característica típica de V-I de un diodo p-i-n. Los diodos son evaluados frecuentemente por voltaje directo, VF, en una polarización de corriente continua DC fija. El fabricante garantiza que al aplicar un voltaje inverso VR al diodo, la corriente inversa que fluye no sobrepasa los 10 μA. La cantidad de voltaje de ruptura VB de aproximadamente 10 V/μm y es determinado por el ancho de la región I.

Fig.10 Circuito equivalente del diodo p-i-n en polarización directa

Asumiendo que la señal de RF no afecta la carga almacenada, la impedancia de polarización directa Rs se obtiene con la siguiente ecuación:

donde: µn = Movilidad de los electrones µp = Movilidad de los huecos La carga Q producto de la recombinación de portadores en la región intrínseca está dada por: ; La resistencia del diodo en polarización directa es inversamente proporcional a la corriente de polarización del diodo, y la resistencia más baja se obtiene para altas corrientes. La impedancia del diodo puede ser sintonizada para el acoplamiento de circuitos RF ajustando la corriente de polarización. d)

Fig.9 Característica V-I típica de un diodo p-i-n

Modelo de Polarización Inversa

En situación de polarización inversa, el diodo p-i-n se comporta como el circuito conformado por una inductancia en serie con el paralelo de una capacitancia y una resistencia. Tal como se muestra en la siguiente figura.

La frecuencia de operación para el diodo p-i-n es aquella que está por debajo de la frecuencia definida por el tiempo de vida de portadores = CLT (1/ τ) de la región I.

b)

Modelo de alta frecuencia

Cuando se aplica una polarización directa al diodo p-i-n, la carga Q debe ser más grande que el incremento de la carga almacenada agregada o anulada por la corriente de polarización directa, RF, o inversa, IRF. c)

Fig.11 Circuito equivalente para el diodo p-i-n en situación de polarización inversa

El capacitor se puede obtener de

Modelo de Polarización Directa

Bajo polarización directa, la conductividad de la región intrínseca es controlada o modulada por la inyección de carga de las regiones p y n de los extremos, y el diodo conducirá corriente. La resistencia en estado de baja impedancia del diodo es controlada por la polarización directa. El diodo tiene una excelente linealidad y baja distorsión. En este estado de baja impedancia, el diodo es controlado por las características de inyección de carga de la unión p-n y el diodo puede ser representado como una resistencia con una magnitud determinada por la corriente que fluye en el diodo. En este estado de baja impedancia, el diodo p-i-n se comporta como una inductancia L en serie con una resistencia Rs, y su modelo de circuito equivalente se muestra en la siguiente figura.

; donde: ε= constante dieléctrica del silicio A = Área de la unión del diodo ρ = resistividad de la región I frl =frecuencia de relajación dieléctrica Para frecuencias más bajas el diodo p-i-n se comporta como un varactor, el cual es un diodo que dependiendo de la tensión que se le aplique el valor de la capacitancia varía. Es decir, si la tensión aplicada al diodo varactor aumenta la capacitancia disminuye, si por el contrario, la tensión disminuye la capacitancia aumenta. El valor de la resistencia en paralelo RP

5 es proporcional al voltaje e inversamente proporcional a la frecuencia. En la mayoría de las aplicaciones en RF este valor es más alto que la reactancia del capacitor CT. El voltaje de ruptura masiva o avalancha, VB, siempre será más grande que el voltaje inverso, VR. Así mismo, VB es proporcional al ancho de la región I. Una excursión instantánea de la señal de RF en situación de polarización directa por lo regular no causa que el diodo entre en conducción debido a la lentitud de la velocidad de conmutación de la polarización inversa a directa. La magnitud de la señal RF y el ancho de la región I están relacionados con la polarización inversa de DC necesaria para mantener al diodo p-i-n en baja conductancia.

IV. CONCLUSIONES Los diodos pin tienen un campo aplicativo muy amplio debido a su ventaja sobre los diodos pn en cuanto al tiempo de conmutación y los altos voltajes que maneja; por lo tanto son dispositivos con gran aplicabilidad dentro de la electrónica de potencia. V. REFERENCIAS Cortez, M. (s.f.). Scribd. Recuperado el 2019, de https://es.pdfcoke.com/document/400407115/diodoPIN ETIS. (s.f.). Recuperado el Marzo de 2019, de http://quegrande.org/apuntes/ETIS/1/TE/teoria/0910/diodo_de_union_p-n.pdf Pavón, E. (s.f.). ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA . Recuperado el 2019, de http://mdgomez.webs.uvigo.es/DEI/Guias/tema4.pdf Univesidad de Valencia. (s.f.). Recuperado el 2019, de https://www.uv.es/candid/docencia/Tema3(0102).pdf