Zona de deplexión
Al haber una repulsión mutua, los electrones libres en el lado n se dispersan en cualquier dirección. Algunos electrones libres se difunden y atraviesan la unión, cuando un electrón libre entra en la región p se convierte en un portador minoritario y el electrón cae en un hueco, el hueco desaparece y el electrón libre se convierte en electrón de valencia. Cuando un electrón se difunde a través de la unión crea un par de iones, en el lado n con carga positiva y en el p con carga negativa. Las parejas de iones positivo y negativo se llaman dipolos, al aumentar los dipolos la región cerca de la unión se vacía de portadores y se crea la llamada "Zona de deplexión".
Barrera de potencial
Los dipolos tienen un campo eléctrico entre los iones positivo y negativo, y al entrar los electrones libres en la zona de deplexión, el campo eléctrico trata de devolverlos a la zona n. La intensidad del campo eléctrico aumenta con cada electrón que cruza hasta llegar al equilibrio. El campo eléctrico entre los iones es equivalente a una diferencia de potencial llamada "Barrera de Potencial" que a 25 ºC vale:
0.3 V para diodos de Ge. 0.7 V para diodos de Si.
Polarizar: Poner una pila. No polarizado: No tiene pila, circuito abierto o en vacío. z.c.e.: Zona de Carga Espacial o zona de deplexión (W).
QUÉ
ES
EL
NIVEL
DE
FERMI?
El “nivel de fermi” es un término empleado para describir la mayor concentración de niveles de energía que, teóricamente, pueden alcanzar los electrones a una temperatura, también teórica, de 0º K (cero grado Kelvin o “cero absoluto”). A dicha temperatura se supone que cesa completamente todo el movimiento electrónico en los átomos que componen las moléculas de un cuerpo cualquiera. En un semiconductor diodo sin energizar, el “nivel de fermi” se opone a que los electrones libres que se encuentran presentes en la parte negativa (N) puedan atravesar la barrera de potencial formada en el punto de unión “p-n”, lo que les impide saltar a la parte positiva (P) hasta tanto no reciban la suficiente carga energética que normalmente procede de una fuente de fuerza electromotriz externa, como una batería, por ejemplo. Una vez que los electrones reciban la energía necesaria podrán superar el “nivel de fermi” y atravesar la barrera de potencial p ara unirse a los huecos existentes en la parte positiva (P) del diodo. Un símil entre lo que ocurre con un semiconductor diodo sin energizar y el nivel de fermi sería algo así como tener sumergido en un mar cubierto de hielo un cuerpo cualquiera carente de la suficiente energía como para poder ascender, romper la capa de hielo y salir a la superficie. El nivel de fermi recibe ese nombre en honor al destacado físico italiano Enrico Fermi (Roma, Italia, 1901 – Chicago, EE.UU., 1954).
Cuando la unión positiva-negativa “p-n” de un semiconductor diodo se encuentra en equilibrio por no encontrarse energizado, los “niveles de fermi” se igualan o emparejan a ambos lados de la unión. Bajo esas condiciones los electrones y los huecos alcanzan un equilibrio próximo a ese punto y a su alrededor se crea de deplexión. una zona Para que se pueda establecer un flujo electrónico a través del diodo, será necesario suministrarles energía a los electrones que se encuentran debajo de la línea del “nivel de fermi” para que se puedan mover hacia arriba y pasar a la “banda de conducción” y unirse a los huecos.
POLARIZACIÓN DIRECTA DEL DIODO Cuando un semiconductor diodo lo polarizamos de forma directa conectándole una fuente de fuerza electromotriz o suministro eléctrico (como una batería, por ejemplo), su lado “P” se vuelve más positivo, lo que ocasiona que se cree una diferencia en altura del “nivel de fermi” en la parte negativa del diodo. Esto facilita que los electrones libres en esa parte alcancen la “banda de conducción” y puedan atravesar la unión o juntura “p-n” pasando a llenar los “huecos” presentes al otro lado de la unión. De esa forma los electrones alcanzarán la banda de conducción, atravesarán la unión “p-n” y saltarán de un hueco a otro en la parte positiva (P) hasta concluir finalmente su recorrido en el polo positivo de la fuente de suministro eléctrico. La situación que se produce se puede interpretar como: electrones moviéndose en un sentido y huecos m oviéndose en sentido opuesto.
En la ilustración se puede apreciar que la dirección de conducción de los electrones se establece desde la parte derecha o negativa del diodo hacia su parte izquierda o positiva. El movimiento que se observa hacia arriba de los electrones para alcanzar la “banda de conducción” , viene dado por el incremento de energía que les suministra la batería o fuente de energía electromotriz conectada al diodo. Por tanto, en un diodo polarizado de forma directa, los electrones de la parte negativa (N) que han sido elevados a la banda de conducción, así como los que se han difundido a través de la unión “p-n”, poseen más energía que los huecos presentes en la parte positiva (P). De esa forma los electrones se combinan sin esfuerzo con esos huecos, estableciéndose un flujo de corriente electrónica a través de la unión “pn”, en dirección al polo positivo de la batería.
Movimiento de los electrones que se establece en un. sentido y de los huecos en el sentido opuesto en un diodo. semiconductor polarizado de forma directa. La parte. señalada como (A ) corresponde al ánodo positivo (+) y la. parte (B ) al cátodo negativo ( – ) . Como se puede apreciar,.el flujo de los electrones se mueve del polo negativo al . polo positivo de la batería (pila) conectada al circuito.
POLARIZACIÓN INVERSA DEL DIODO Cuando el semiconductor diodo se polariza de forma inversa, el lado positivo “P” de la unión “p-n” se vuelve negativo (debido a estar conectado al polo negativo de la batería). En esas condiciones el “nivel de fermi” correspondiente a esa parte positiva crece en altura, impidiendo así que los electrones se puedan mover a través del cristal semiconductor. En la ilustración se pueden observar unas flechas indicando la dirección correspondiente al flujo electrónico tratando de acceder al diodo por su parte positiva sin lograrlo, pues al estar polarizado de forma inversa la “zona de deplexión” se amplía. Además, como se puede ver también, la diferencia de altura del “nivel de fermi” en la parte positiva “P” del diodo aumenta, mientras que en la parte negativa “N” disminuye. Por tanto, bajo esas circunstancias los electrones presentes en la parte negativa carecerán de la suficiente energía para poder atravesar la unión “p-n”.
Sin pola
Cuando los materiales semiconductores del tipo N y del tipo P se juntan, ocurre un fenómeno muy importante en la unión debido al exceso de huecos en el material y electrones en el otro lado, una interacción se lleva a cabo entre los dos tipos de materiales.
Algunos electrones se difunden a través de la unión y similarmente pasa por los huecos del material tipo P, esta iteración o difusión lleva al equilibrio formando un campo eléctrico e donde la corriente total es cero
Tiempo de Recuperacion en Inversa del Diodo Cuando se aplica una polarización directa a una unión p-n, la densidad de portadores minoritarios es la indicada por la figura 1, donde se observa el incremento de los portadores minoritarios en las adyacencias de la unión provenientes de la inyección desde el otro lado de la unión donde están en exceso por ser mayoritarios. Si la polarización de un circuito con un diodo polarizado en sentido directo, pasa a ser en sentido inverso, la corriente no podrá pasar inmediatamente al valor que corresponde a la polarización inversa. La corriente no puede anularse a su valor de equilibrio hasta que la distribución de portadores minoritarios, que en el momento de invertir la tensión era la indicada en la figura 1.1.a., pase a ser la distribución de la figura 1.1.b., correspondiente a la distribución en polarización inversa
Tiempo de transición y de almacenamiento En la figura 2 se indica la secuencia que acompaña la inversión del sentido directo al inverso, en la polarización del diodo. Consideremos que la tensión de la figura 2.b se aplica al circuito resistencia diodo de la figura 2.a. Durante largo tiempo y hasta t1, se ha aplicado la tensión de polarización en el sentido directo vi = VF. La resistencia RL se supone lo suficientemente grande como para que la diferencia de potencial entre sus extremos sea elevada comparada con la del diodo. En este caso la corriente será i = VF/RL = IF. En el instante t = t1, la tensión de entrada se invierte bruscamente al valor v = -VR. Por las razones descritas anteriormente , la corriente no baja a cero, sino que se invierte y permanece a un valor i = -VR/RL = -IR hasta que transcurre un tiempo t = t2. En ese momento, tal como se observa en la figura 3.c, la densidad de portadores minoritarios pn a x = 0 ha alcanzado su estado de equilibrio pno. Si la resistencia óhmica del diodo es Rd. la tensión del diodo desde t1 cae lentamente pero no se invierte. Para t = t2, cuando el exceso de portadores minoritarios en las inmediaciones de la unión ha pasado a través de ella, la tensión en el diodo empieza a invertirse y la corriente a decrecer. El intervalo
de t1 a t2 en el que la carga de minoritarios llega a ser cero, se denomina tiempo de almacenamiento ts. El lapso de tiempo transcurrido entre t2 y el momento en que el diodo se ha recuperado totalmente, se denomina tiempo de transición ttr. Este intervalo de recuperación se completa cuando los portadores minoritarios que se hallan a cierta distancia de la unión lleguen a difundirse a través de ella, atravesándola, y, a la vez, cuando la capacidad de transición de la unión polarizada en inversa se cargue a la tensión -VR a través de la resistencia RL.
Recombinación de la carga, Qrr Durante el tiempo de almacenamiento la disminución de la concentración de minoritarios (figura 2.c.) no se debe solamente a la corriente inversa sino que se presenta también el fenómeno de recombinación de cargas por el cual la concentración de minoritarios tiende a pno con el tiempo. Este hecho puede contribuir positivamente a mejorar el tiempo trr de un diodo, puesto que cargas que se recombinan son cargas que no formarán corriente inversa. Resulta interesante mencionar que un método tecnológico para aumentar la velocidad de recombinación en un semiconductor dopado consiste en agregar pequeñas cantidades de metales como el oro para crear centros de recombinación.
Especificaciones de los fabricantes: Originalmente los diodos rectificadores registrados en el JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council of the Electronic Industries Association, EIA, and National Electrical manufacturer Association, NEMA) no requerían especificaciones de conmutación ya que las principales aplicaciones eran de 50-60 Hz. Actualmente la amplia aplicación de los diodos en
conmutación de altas potencias requiere de especificaciones precisas que aseguren la compatibilidad entre dispositivos de distintos fabricantes; para esto se utiliza normalmente un circuito de “test” para obtención de los valores límites de trr como e l mostrado en la figura 3 originalmente proyectado por JEDEC en 1970. Los componentes del circuito se deben ajustar a las condiciones especificadas para el test como por ejemplo: * Tc = 25°C * frecuencia de repetición de pulsos = 60 Hz * di/dt = 25 A/us * Corriente directa pico 4 veces mayor que la nominal * Duración del pulso pequeña para minimizar la disipación de potencia.
Este circuito es difícil de adaptar a las condiciones necesarias para medir diodos ultrarrápidos, por ejemplo, en los que el trr está por debajo de los 100 ns. El problema principal lo presenta el inductor que se usa para generar el pulso de corriente positiva que provoca oscilaciones cuando el diodo entra en la zona de alta impedancia (tb) de la recuperación dificultando con esto la medición de esta zona. Debido a esto la nueva versión del Standard ANSI-EIA-282-A-1989 desarrollado por el comité JEDEC en diodos rectificadores y tiristores, y aprobado por ANSI en Septiembre de 1989, presenta la manera de manejar el diodo con pulsos cuadrados derivados de un circuito con MOSFETs de potencia. El circuito mostrado en la figura 4 permite valores altos de di/dt, típicos de los circuitos de potencia modernos, manteniendo los valores de inductancia bajos.
La figura 5 muestra la forma de onda idealizada de la corriente en el dominio del tiemporesultante del circuito de la figura 4. El tiempo de recuperación inversa es normalmente medido entre el momento en que la corriente (previamente polarizada a IF) pasa por cero, en el flanco descendente, y el momento en que la corriente inversa alcanza un valor menor al 10% de la corriente pico inversa IRM. Observando la figura 5, trr está dividido en dos partes. ta es el tiempo que tarda la concentración de minoritarios en llegar al valor de equilibrio y tb es el tiempo que tarda en formarse la zona de deplexión. El total de la carga desalojada se llama carga de recuperación inversa Qrr que es la suma de Qa y Qb (Qf) representadas por las áreas debajo de la forma de onda durante ta y tb respectivamente. Asumiendo que Qrr está predominantemente formado Qa entonces el trr es aproximadamente igual a ta. Tiempo de recuperación en inversa , trr
