COMPARACIÓN ENTRE LOS DIODOS DE PROPÓSITO GENERAL, DIODOS DE RECUPERACIÓN RÁPIDA Y DIODOS SCHOTKY. 1. Diodo de propósito general o pequeña señal: Un diodo semiconductor de estado sólido está constituido en dos partes, integradas por cristales de silicio (Si) de diferente polar idad. Para obtener dos cristales semiconductor es de polaridad diferente es necesario “doparlos” durante el proceso de producción del diodo, d iodo, añadiéndole a la estructura molecular de cada uno de esos cristales cierta cantidad de impurezas pertenecientes a átomos de otros elementos químicos (también semiconductores), pero de valencias diferentes para cada una de las partes que formarán el diodo, Para los semiconductores del Grupo IV como Silicio, Germanio Silicio, Germanio y Carburo de
silicio, silicio, los dopantes más comunes son elementos del Grupo III o del Grupo V. Boro, V. Boro, Arsénico, Arsénico, Fósforo, Fósforo, y y ocasionalmente Galio, Galio, son utilizados para dopar al Silicio. Para fabricar un diodo, primeramente uno de los cristales de silicio se dopa añadiéndole, como impureza, un elemento químico de valencia +3 (trivalente) como el galio (Ga), al final del proceso se obtiene un semiconductor “tipo-p”, con polaridad positiva (P) (P),, que presentará defecto o falta de electrones en la última órbita de los átomos de galio añadidos como impurezas. En esas órbitas se form arán “huecos” en aquellos lugares que debían estar ocupados por los electrones faltantes. A continuación, el otro cristal de silicio, que inicialmente es igual i gual al empleado en el proceso proces o anterior, se dopa también durante el proceso de fabricación del diodo, p ero añadiéndole esta vez impurezas pertenecientes a átomos de otro elemento químico también semiconductor, pero de valencia +5 (pentavalente), una vez finalizado este otro proceso de dopado se obtiene un semiconductor “tipo-n”, con polaridad negativa (N) (N),, caracterizado por presentar exceso de electrones libres en la última órbita de los átomos añadidos como impurezas. [# de referencia de la cita ].
Una de las principales características de un diodo de propósito general, o de pequeña señal, es que en estado de conducción soportan alta caída de tensión con baja caída te voltaje, en inverso soportan una fuerte tensión negativa de ánodo con pequeñas corrientes de fuga, como podemos observar en la gráfica. Cuando está activo, asumimos que es un corto, ya que la caída sobre el mismo siempre será constante y muy pequeña dentro de condiciones normales, ciertos factores como la temperatura pueden cambiar drásticamente la curva normalizada, en inverso, desplazándola hacia derecha, y en directo hacia la izquierda, esta elación se aprecia en la ecuación de Shockley. [1 [ 1]
[# de referencia de la cita] Para la ecuación de la izquierda:
I es la intensidad de la corriente que atraviesa el diodo y
V D la diferencia de tensión entre sus extremos. I S es la corriente de saturación (aproximadamente 10−2 ). q es la carga del − (electrón). T es la temperatura absoluta de la unión k es la constante de Boltzmann . n es el coeficiente de emisión, dependiente del proceso de fabricación del diodo y que suele adoptar valores entre 1 (para el germanio) y del orden de 2 (para el silicio). V D es la diferencia de tensión entre sus dos extremos. [2].
Para la gráfica de la derecha:
Otras características, estáticas y dinámicas son: Estáticas: 1. Polarización en inverso 2. Parámetros de conducción 3. Modelo estático Dinámicas: 1. Parámetros de encendido 2. Parámetros de apagado 3. Influencia del tiempo de recuperación en inverso o
en la conmutación [1*]
La activación del diodo se da cuando se supera un voltaje de umbral entre 0,7 y 2,5 V para un diodo de silicio, para los diodos de Germanio desde 0,3 V.
El paso de diodo activo a apagado se produce cuando un diodo está conduciendo con una corriente , la zona de juntura estará saturada de carga, proporcional a la densidad de la misma que circule por el cuerpo del diodo. Si aplicamos una forzamos a que se anulen las cargas con velocidad
(corriente en inverso), entonces
, después que la corriente pase por 0,
habrá cargas que cambien el sentido de conducción y conduzcan en inverso por un instante. Hasta que llegan al En inverso, se comporta idealmente como un circuito abierto y presenta una curva característica de tensión real e ideal, representa que en este estado no conduce, hasta cierto umbral, y que como se observa, a medida que aumenta el V(-), corrientes de fuga típicas aumentan hasta un punto, dónde el diodo nuevamente conduce.
Ejemplo de funcionamiento de diodo ideal [3] Dado que no se tienen condiciones ideales al momento de usar estos dispositivos, este fenómeno posee una característica dinámica llamada recuperación inversa del diodo, que es la principal característica que abre la puerta a nuevas topologías y aplicaciones de estos dispositivos, en principio esto es que cuando el diodo pasa a corte, la corriente momentáneamente se hace negativa.[4]
Dónde:
(tiempo de almacenamiento): es el tiempo que transcurre desde el paso por cero de la corriente hasta llegar al pico negativo. (tiempo de caída): es el tiempo transcurrido desde el pico negativo de corriente hasta que ésta se anula, y es debido a la descarga de la capacidad de la unión polarizada en inverso. En la práctica se suele medir desde el valor de pico negativo de la intensidad hasta el 10 % de éste. (tiempo de recuperación inversa): es la suma de y . Representa el tiempo que transcurre durante el apagado del diodo, en que la corriente alcanza su valor máximo (-) y retornar hasta ≈ un 25% de dicho valor esto es alrededor de 25 s para diodos de propósito general y 5 s para diodos de FR (Fast- Recovery).
: Se define como la carga eléctrica desplazada, y representa el área negativa de la característica de recuperación inversa del diodo. : Es el pico negativo de la intensidad. : Es el pico negativo de la intensidad. : El cambio de la
en el tiempo por
mientras más grande sea, mayor será el
, que se denomina valor de pico negativo, y ≈ hasta que desaparezca el exceso de cargas. [5]
Normalmente para un diodo de propósito general, el tiempo de recuperación es admisible a menos de 1KHz, en cambio en uno de recuperación rápida a menos de 600KHz, la señal no ha presentado aún dicho fenómeno, por lo que la primera diferencia es el rango de frecuencias al que puede operar cada uno. [6]
[1]
2. Diodo de Recuperación rápida: Este dispositivo es ampliamente utilizado en alta frecuencia con corrientes bajas tiene los mismos atributos que el rectificador de propósito general, salvo que su tiempo de restablecimiento en inverso es mucho menor, en condiciones de laboratorio de 4, 8, 150, 200, 500ns, el tiempo de cruce, y sobre todo soporta más frecuencia, gracias a que al tener rangos de voltaje y corriente más reducidos, son ampliamente utilizados, sobretodo en aplicaciones dónde la velocidad de conmutación tiene importancia crítica. O en aplicaciones que requieren una amplia resistencia contra sobretensiones Estos diodos abarcan especificaciones actuales de voltaje desde 50V hasta unos 3KV, y de menos de un amperio hasta cientos de amperes, [7] son dispositivos auxiliares a los transistores en el proceso de conversión de corriente continua a corriente alterna. Cada conmutador (GTO, IGCT o IGBT) requiere de un diodo complementario (p. ej., la "libre circulación" de potencia reactiva) para permitir el funcionamiento del sistema convertidor de continua a alterna con cargas inductivas. Sin embargo, por lo general presentan unas pérdidas en conducción superiores a los Diodos Rectificadores. [8]
Curvas características de un diodo de recuperación rápida. [10] 3. Diodo schottky A diferencia del diodo semiconductor normal que tiene una unión P –N, el diodo schottky tiene una unión Metal-N. Estos diodos se caracterizan por su velocidad de conmutación, una baja caída de voltaje cuando están polarizados en directo (típicamente de 0.25 a 0.4 voltios). El diodo Schottky está más cerca del diodo ideal que el diodo semiconductor común pero tiene algunas características que hacen imposible su utilización en aplicaciones de potencia. 1. El diodo Schottky tiene poca capacidad de conducción de corriente en directo (en sentido de la flecha). Esta característica no permite que sea utilizado como diodo rectificador. Hay procesos de rectificación (por ejemplo fuentes de alimentación) en que la cantidad de corriente que tienen que conducir en sentido directo es bastante grande y supera la capacidad del diodo Schottky. 2. El diodo Schottky no acepta grandes voltajes que lo polaricen inversamente (VCRR). El proceso de rectificación antes mencionado también requiere que la tensión inversa que tiene que soportar el diodo sea grande. Sin embargo el diodo Schottky encuentra gran cantidad de aplicaciones en circuitos de alta velocidad como en computadoras. En estas aplicaciones se necesitan grandes velocidades de conmutación y su poca caída de voltaje en directo causa poco gasto de energía. [11].
[12] La principal diferencia entre Schottky y diodo de propósito general es que un diodo Schottky se hace de una unión de metal-semiconductor mientras que un diodo de PG está hecho de un pn unión de dos semiconductores altamente dopados. Diodos Schottky se utilizan para aplicaciones de fijación de voltaje, y en situaciones donde la eficiencia del circuito necesita ser maximizada (ya que tienen la mínima diferencia de potencial a través de ellos, se disipa menos energía). Por ejemplo, se utilizan en la construcción de células solares. El símbolo de circuito para un diodo Schottky se muestra a continuación:
En comparación con el diodo de unión PN, tenemos las siguientes tablas:
[13]
3. Diodos de Silicio y de Carburo de Silicio La industria de los semiconductores tiene una historia de "más pequeños, más rápidos y más baratos". Rendimiento y reducir el costo del dispositivo mediante la reducción del tamaño del empaquetado es esencial para casi todos los tipos de productos semiconductores. Para los productos energéticos, el rendimiento se mide por una mayor eficiencia y densidad de potencia, mayor capacidad de manejo de potencia y mayor rango de temperatura de operación. Dichas mejoras dependen en gran medida de las características deseables de los componentes de potencia utilizados, tales como conmutación y pérdidas, alta frecuencia de conmutación, características en un amplio rango de temperatura, temperatura de funcionamiento y alta tensión de bloqueo. A medida que los componentes de potencia de silicio se aproximan a los límites, los materiales semiconductores compuestos, tales como carburo de silicio (SiC) y nitruro de galio (GaN) proporcionan la capacidad de mejorar dramáticamente estos parámetros. Hoy en día, la necesidad de una mayor eficiencia en los productos finales es más crítica que nunca. Aunque los productos de energía de silicio continúan viendo mejoras incrementales, los dispositivos basados en materiales semiconductores compuestos son significativamente mejores - en un gran número de casos no es posible con sus homólogos de silicio. Esto es cierto para los componentes más básicos de la electrónica de potencia: diodos y transistores. Los diodos de barrera Schottky (SBD) de carburo de silicio (SiC) han estado disponibles durante más de una década, pero no fueron comercialmente viables hasta hace poco. [14]. Los diodos de potencia de silicio de mayor rendimiento son diodos de barrera Schottky. No sólo los SBD tienen el tiempo de recuperación inversa más bajo (trr) comparado con los diversos tipos de recuperación rápida (recuperación rápida epitaxial), recuperación ultrarrápida y diodos de recuperación súper rápida, también tienen la caída de tensión directa más baja (VF). Ambos parámetros son esenciales para una alta eficiencia. La Tabla 1 muestra una comparación de la tensión de ruptura, VF y (trr) para diodos comúnmente disponibles. Mientras que los diodos de barrera de Schottky tienen la ventaja de bajas pérdidas de avance y pérdidas de conmutación insignificantes en comparación con otras tecnologías de diodo, el estrecho gap de silicio limita su uso a una tensión máxima de alrededor de 200 V. Los diodos de s ilicio que operan por encima de 200 V tienen VF y Trr mayores. El carburo de silicio es un semiconductor compuesto con características de potencia superior al silicio, incluyendo un gap de banda aproximadamente tres veces más grande, un campo de ruptura dieléctrico 10 veces más alto y un coeficiente térmico tres veces mayor. Estas características lo hacen ideal para aplicaciones de electrónica de potencia. Los dispositivos de carburo de silicio tienen mayor tensión de ruptura, temperatura de funcionamiento y conductividad térmica, así como un tiempo de recuperación más corto y una corriente inversa menor que los diodos de silicio con voltaje de ruptura comparable. Estas características del dispositivo equivalen a baja pérdida, conversión de energía de alta eficiencia, disipadores de calor más pequeños, costos de refrigeración reducidos y firmas de EMI más bajas. El progreso continuo en la elevación de la temperatura de funcionamiento (250º C +) y la alta tensión de bloqueo prometen nuevas aplicaciones excitantes tales como impulsión del motor en HEV / EV y transformadores de estado sólido. SiC ciertamente no es el único material semiconductor compuesto que se considera para la próxima generación de energía Los rectificadores Schottky de arseniuro de galio (GaAs) han estado disponibles desde la década de 1990, pero sólo han encontrado aceptación limitada para las aplicaciones más exigentes debido a su mayor costo que el silicio. GaAs, el campo de rotura y la conductividad térmica son menores que el carburo de silicio. Más recientemente, los investigadores están llevando a cabo, con nitruro de galio (GaN) para aplicaciones en los transistores de potencia.
GaN tiene bandgap similar y constante dieléctrica (por lo tanto, tensión de ruptura comparable) a SiC. Tiene mayor movilidad de electrones pero sólo ¼ de la conductividad térmica. Esta tecnología es temprana en su fase de desarrollo / comercialización relativa al SiC. Actualmente hay muchos más dispositivos y proveedores de SiC. La Figura 1 muestra la reducción de las pérdidas de conmutación en comparación con los diodos de recuperación rápida basados en la carga mínima de recuperación inversa (Qrr) de SiC SBD durante el apagado. Con los diodos de recuperación rápida de silicio, el trr aumenta significativamente con la temperatura como se muestra en la Figura 2. En contraste, los SBD de SiC mantienen un trr constante independientemente de la temperatura. Esto permite el funcionamiento de SiC SBD a una temperatura más alta sin mayores pérdidas de conmutación. Las numerosas ventajas de rendimiento de SiC SBD pueden resultar en dispositivos de potencia más compactos y más ligeros con mayor eficiencia. SiC ha demostrado estabilidad a la temperatura en un amplio rango de operación, como se muestra en la Figura 3. Esto simplifica la conexión en paralelo de múltiples dispositivos y evita el escape térmico. Con todos estos beneficios, ¿por qué el SiC no tuvo más impacto en los nuevos produc tos? Una razón es la mejora continua de los dispositivos de silicio, que beneficia Desde tener una infraestructura -proceso, diseño de circuitos, equipos de producción- que ha sido ajustada por más de cincuenta años. Por el contrario, la tecnología SiC todavía está en su infancia. El costo más alto de los dispositivos de SiC ha si do una barrera para la mayoría de las aplicaciones comerciales. Esto se debe en gran parte al hecho de que el SiC es un material mucho más difícil de procesar que el silicio. Por ejemplo, la implantación iónica costosa se utiliza para el dopaje debido a la baja velocidad de difusión del SiC. Se lleva a cabo un ataque con iones reactivos (RIE) con un plasma a base de flúor, seguido por un recocido en la Figura 2. El tiempo de recuperación inversa de un FRD de silicio puede duplicarse fácilmente con un aumento de la temperatura de unión de sólo 40ºC. Por el contrari o, las SBD de carburo de silicio son esencialmente planas en este mismo intervalo de temperaturas. Figura 1. Con un diodo de barrera Schottky SiC (SBD), las pérdidas de conmutación se reducen en 2/3 en comparación con un diodo de recuperación rápida de silicio (FRD). El Si FRD se utiliza para la comparación ya que tiene una clasificación de voltaje comparable al SiC SBD. Estas dificultades de procesamiento aumentan el costo y limitan los tipos de estructuras de dispositivos que se pueden construir. Como resultado, el costo es alto y la disponibilidad limitada. Sin embargo, el aumento en el interés y la adopción en muchas aplicaciones se debe principalmente a: 1. Reducción de los costes de producción; 2. Disponibilidad de transistores de SiC; 3. Un grupo más amplio de proveedores; 4. El aumento de la energía verde en general, y la eficiencia de conversión de energía en particular, impulsada por la legislación y las demandas del mercado
Referencias:
1. Obtenido: http://www.iuma.ulpgc.es/~roberto/asignaturas/EI/transparencias/EI_Tema_3.1.Diodos _potencia.pdf 2. Obtenido de: http://www.uv.es/~marinjl/electro/diodo.html 3. Obtenido de: 4. https://es.wikipedia.org/wiki/Ecuaci%C3%B3n_de_Shockley 5. Obtenido de: https://es.wikipedia.org/wiki/Dopaje_(semiconductores) 6. Obtenido de: http://www.asifunciona.com/fisica/af_diodos/af_diodos_1.htm 7. Obtenido de: http://www.profesormolina.com.ar/tutoriales/diodo.htm 8. Obtenido de: Hart, Daniel, “Electrónica de potencia”, Editorial Prentice Hall, Primera Edición, Madrid, 2001. 9. Obtenido de: http://www.abb.com/product/db0003db004291/c125739900722305c1256f18003c1401. aspx?productLanguage=es&country=CO 10. Obtenido de: http://yzpst-tech.com/product-1-2-5-2-fast-recovery-diode-es/138928 11. Obtenido de: http://unicrom.com/diodo-schottky/ 12. Obtenido de: http://pediaa.com/difference-between-schottky-and-zener-diode/ 13. Obtenido de: http://www.radio-electronics.com/info/data/semicond/schottky_diode/characteristicsspecifications-parameters.php 14. Obtenido de: http://www.rohm.com/documents/11303/41217/ROHM_SiC+Diodes_wp.pdf
