Características del diodo | CC, CA, corriente, tiempo de conmutación

En este tutorial, aprenderá sobre algunas propiedades importantes de los diodos. Al examinar estas características del diodo, generalmente puede comprender mejor el funcionamiento del diodo.

Características de los diodos de uso común

Algunas de las características de los diodos más utilizados son:

• Ecuaciones actuales
• Resistencia de CC
• Resistencia de CA
• Capacitancia de conversión
• Capacitancia de difusión
• Tiempo de almacenamiento
• Tiempo de transición
• Tiempo de recuperación

Ahora, echemos un vistazo rápido a estas características de los diodos.

Ecuación de corriente del diodo

Los diodos de unión PN son ampliamente conocidos por transportar corriente en una sola dirección. La cantidad de corriente que fluye a través de un diodo de unión PN depende en gran medida del tipo de material utilizado y depende de la concentración de dopaje en la fabricación del diodo PN.

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La razón principal del flujo de corriente es la generación o recombinación de la mayoría de los portadores de carga en la estructura del diodo de unión PN.

Tendremos tres áreas responsables del flujo de la mayor parte de la corriente portadora de carga. Estas zonas son, por ejemplo, la zona metaneutral P, la zona de agotamiento y la zona metaneutra N. El área del tipo P metaneutro es la separación entre el borde de la zona p y el borde del diodo en el lado P.

La región del tipo N cuasi-neutro es la separación entre el borde de la zona de escape y el borde del diodo en el lado N. En el caso de los hogares, esta distancia de separación es infinita. A medida que se mueve hacia el límite del diodo, no hay cambios en la concentración del portador de carga. El campo eléctrico no existe en la región metaneutra.

Δn_p(x → -∞) = 0

Δp_n(x → +∞) = 0

La corriente del diodo en la polarización directa se debe a la recombinación de los portadores de carga mayoritarios. La recombinación del portador de carga se produce en la región metaneutra de tipo P o N, en la región de agotamiento o en el contacto de ohmios, es decir, en la unión del metal y el semiconductor.

El flujo de corriente de la polarización inversa se debe a la creación de un portador de carga. Este tipo de proceso de generación de portadores de carga aumenta aún más el flujo de corriente en condiciones de polarización directa e inversa.

El flujo de corriente de un diodo de unión PN está determinado por la densidad del portador de carga, el campo eléctrico a lo largo de la estructura del diodo de unión PN y la energía de nivel cuasi-Fermi de los tipos P y N. La densidad portadora y los campos eléctricos se utilizan para determinar las corrientes de deriva y difusión de un diodo PN.

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Las energías de nivel cuasi-Fermi de los electrones y huecos dentro de la región de agotamiento y las energías de nivel cuasi-Fermi de las regiones cuasi-neutras de tipo N y tipo P se consideran aproximadamente equivalentes para obtener la solución analítica.

Suponiendo que el nivel de energía de Fermi es constante en la zona de agotamiento, la densidad del portador de carga fraccional en el límite de la zona de agotamiento es:

Si no se aplica el voltaje externo, alcanzará un estado de equilibrio térmico en la ecuación mencionada anteriormente. El intervalo entre los niveles de Fermi aumenta con el voltaje aplicado externamente. Este voltaje externo se multiplica por la carga de los electrones.

El portador de exceso de carga presente en una de las regiones similares se recombina inmediatamente cuando alcanza el contacto metal-semiconductor. El proceso de recombinación ocurre rápidamente en el contacto de la sarna y se incrementa aún más por la presencia de metales. Por lo tanto, una condición de contorno válida puede indicar lo siguiente:

p_n (x = w_n) = p_n0

n_p (x = -w_p) = n_p0

Si consideramos las ecuaciones de corriente de difusión para las regiones cuasineutras de tipo n y tipo p, entonces la representación de la corriente del diodo ideal se puede obtener utilizando las condiciones de contorno para la ecuación de corriente de fusión dif considerada.

Convierte la ecuación anterior en una función hiperbólica y reescribe la ecuación anterior de la siguiente manera:

p_n (X≥X_n) = p_n0 + A cosh {(x-x_n)/L_p} + B sinh {(x-x_n)/L_p}

n_p (x ≤ -x_p) = n_p0 + C Koshi {(x+x_p)/L_n} + D sinh {(x+x_p)/L_n}

donde A, B, C y D son los valores constantes que deben determinarse. Si la condición de contorno se aplica a la ecuación hiperbólica anterior, se verá así:

donde la anchura de la zona metaneutra de tipo N – tipo y tipo P – viene dada como sigue:

w´_n = w_n -X_n

w´_p = w_p -X_p

La densidad de corriente del portador de carga en cada región cuasineutra se calcula a partir de la ecuación de corriente de difusión de la siguiente manera:

La cantidad de corriente que fluye a través de toda la estructura de un diodo de unión PN siempre debe ser constante porque la carga no puede desaparecer ni acumularse en toda la estructura del diodo.

Por lo tanto, la corriente total que pasa a través del diodo es igual a la suma de la corriente máxima del agujero en la región n, la corriente máxima de electrones en la región p y la corriente debida a la recombinación del portador de carga en la región de escape. La corriente máxima en la región metaneutral se produce en el lado de la zona de agotamiento.

Resistencia CC o estática

La resistencia estática o la resistencia de CC de un diodo de unión PN define las características de resistencia de un diodo cuando una fuente de CC está conectada a un diodo. Cuando se da un voltaje de CC externo al circuito al que pertenece el diodo semiconductor, se genera el punto Q, o punto de funcionamiento, de la curva característica del diodo de unión PN que no cambia con el tiempo.

La resistencia estática en la rodilla de la curva y por debajo de ella es mucho mayor que el valor de resistencia de la sección ascendente vertical de la curva característica. El valor mínimo es la corriente que pasa a través del diodo y el máximo es el nivel de resistencia de CC.

R_DC = V_DC /Soy yo_DC

CA o resistencia dinámica

La resistencia dinámica se deriva de las ecuaciones de diodos de Shockley. La unión PN define las características de resistencia del diodo cuando se conecta a una fuente de CA que se basa en la polarización de CC del diodo.

Cuando un circuito que consta de diodos recibe una señal sinusoidal externa, la entrada de cambio se desplaza ligeramente de la posición actual de la característica Q instantánea, definiendo así un cambio definitivo en el voltaje y la corriente.

Cuando no se aplica ninguna señal de corriente alterna externa, el punto de actuación será el punto Q (o punto de espera), que está determinado por el nivel de señal de CC aplicado. La resistencia de CA del diodo aumenta al reducir el punto Q de funcionamiento. En resumen, es igual al gradiente de voltaje-corriente del diodo PN.

r_d = ΔV_d / ΔI_d

Resistencia media de CA

Si la señal de entrada es suficiente para producir una gran oscilación, la resistencia asociada con los diodos en esta región se denomina resistencia promedio de CA. Está determinado por la línea recta que conecta la intersección de los valores mínimo y máximo de la tensión de entrada externa.

R_promedio = ( ΔV_d / ΔI_d ) _{Bits/CS a PT}

Capacitancia de conversión

La capacitancia de transición también se conoce como capacitancia de capa de privación o capacitancia de carga espacial. Se observa principalmente en configuraciones de polarización inversa, donde las regiones de tipo P y tipo N tienen baja resistencia y la capa de privación puede actuar como un medio dieléctrico.

Este tipo de capacitancia se debe al cambio en el voltaje externo en el que se carga el voltaje inmóvil g, lo que hace que este cambio cambie en el borde de la capa en el área de agotamiento. Depende de la constante dieléctrica y del ancho de la capa de privación. A medida que aumenta el ancho de la capa de privación, la capacitancia de transición disminuye.

C_T = ε_s / w = √{[qε_s / 2(ϕ_i – V_D)][N_aN_d / (N_a + N_d)]}

Capacitancia de difusión

La capacitancia de difusión también se puede denominar capacitancia almacenada, que se observa principalmente en configuraciones de polarización directa. Es la capacitancia causada por la transmisión del portador de carga desde el ánodo al cátodo entre los dos terminales del diodo, es decir, en la configuración de polarización directa del diodo de unión PN.

Cuando se permite que una corriente eléctrica pase a través de un dispositivo semiconductor, en algún momento se genera algo de carga en todo el dispositivo. Si el voltaje y la corriente externos aplicados cambian a valores diferentes, la cantidad de carga generada durante la transmisión variará.

La relación de la carga generada para el cambio diferencial de tensión será la capacitancia difusa. Cuando aumenta el nivel de corriente, el nivel de capacitancia de difusión aumenta automáticamente.

A medida que aumenta el nivel de corriente, el nivel de resistencia asociado disminuye y también lo hace la constante de tiempo, lo cual es importante en aplicaciones ultrarrápidas. El valor de la capacitancia de difusión es mucho mayor que el valor de la capacitancia de transición y es directamente proporcional al valor de la corriente continua.

C_Diff = dQ/dV = [dI(V)/dV]Γ_F

Tiempo de almacenamiento

Los diodos de unión PN actúan como conductores perfectos en configuraciones de polarización directa y como aisladores perfectos en configuraciones de polarización inversa. Durante el tiempo de conmutación entre el estado de polarización directa y el estado de polarización inversa, el flujo de corriente se conmuta y permanece constante al mismo nivel. Este tiempo, cuando la corriente se invierte y mantiene un nivel constante, se almacena en el tiempo de almacenamiento (T_s).

El tiempo que tarda un electrón en volver del tipo P al tipo N y el tiempo que tarda un agujero en volver del tipo N al tipo P es el tiempo de almacenamiento. Este valor se puede determinar mediante la geometría de la unión PN. Durante este tiempo de almacenamiento, el diodo se comporta en cortocircuito.

Tiempo de transición

El tiempo en que la corriente se mantiene a un nivel constante y luego disminuye hasta el valor de corriente de fuga inversa se denomina tiempo de transición. Se muestra que el valor del tiempo de transición está determinado por la forma de la unión PN y la concentración del nivel de dopaje de los materiales de tipo P y tipo N.

Tiempo de recuperación inverso

La suma del tiempo de guardado y el tiempo de transición se denomina tiempo de recuperación inversa. El tiempo que tarda el diodo en elevar la señal de corriente aplicada desde la corriente de fuga inversa al 10% del valor de estado constante. El valor del tiempo de recuperación inversa de un diodo de unión PN suele estar en microsegundos.

El rectificador de diodo de señal pequeña 1N4148, ampliamente utilizado, suele tener un valor de 4 ns, mientras que para los diodos rectificadores de uso general es de 2 μs. Se pueden lograr velocidades de conmutación rápidas mediante altos valores de corriente de fuga inversa y altas caídas de voltaje directo. T._RR.

Análisis de la hoja de datos

Resumen

Aquí se proporciona una breve visión de las diversas características de los diodos.

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