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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
SEMICONDUCTORESIntrínseco
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si Si
Si
0ºK
300ºK+
Electrón Hueco
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SEMICONDUCTORESIntrínseco
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si Si
Si
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
+
SEMICONDUCTORESIntrínseco
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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 DIODOCaracterísticas
EL DIODOCaracterísticas
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EL DIODOCaracterísticas
EL DIODOCaracterísticas
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EL DIODOCaracterísticas
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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EL DIODOIdentificación
EL DIODOIdentificación
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EL DIODOIdentificación
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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DIODOS ESPECIALESDiodo LED
DIODOS ESPECIALESDiodo LED
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DIODO LEDFrecuencias
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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DIODO LEDFrecuencias
DIODO LEDFrecuencias
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DIODO LEDFrecuencias
DIODO LEDFrecuencias
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DIODOS ESPECIALESDiodo Varicap
DIODOS ESPECIALESFotodiodo
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DIODOS ESPECIALESFotodiodo
DIODOS ESPECIALESFotodiodo
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DIODOS ESPECIALESCélulas Solares
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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DIODOS ESPECIALESCélulas Solares
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.
DIODOS ESPECIALESCélulas Solares
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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DIODOS ESPECIALESCélulas Solares
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.
DIODOS ESPECIALESCélulas Solares
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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DIODOS ESPECIALESCélulas Solares
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.
DIODOS ESPECIALESCaraterísticas eléctricas del Panel Solar
• Corriente de cortocircuito (Isc): Voltaje a circuito abierto
• Corriente i con voltaje v a R.
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DIODOS ESPECIALESCaraterísticas eléctricas del Panel Solar
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.
DIODOS ESPECIALESCaraterísticas eléctricas del Panel Solar
Diferentes curvas para varios tipos de paneles solares, a 25ºC y a 1000 W/m2.
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DIODOS ESPECIALESCaraterísticas eléctricas del Panel Solar
Efecto que sobre la curva i-v tiene la variación de la intensidad radiante
DIODOS ESPECIALESCaraterísticas eléctricas del Panel Solar
Variación de la potencia en función de la intensidad de la radiación incidente.
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DIODOS ESPECIALESCaraterísticas eléctricas del Panel Solar
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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DIODOS ESPECIALESUnión de paneles solares
Conexión de 2 grupos en paralelo, cada uno de 2 paneles de 12V. Tensión de salida 24V.
DIODOS ESPECIALESUnión de paneles solares
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