Funcionamiento y Modelos del Diodo Semiconductor: Pequeña Señal, Conmutación y Aplicaciones

Modelo de Pequeña Señal del Diodo

Condiciones de Validez

Su empleo es válido en el caso de que el diodo esté funcionando en un punto específico de su característica directa i-v (llamado punto de operación Q) y se superponga una señal alterna de pequeña amplitud.

Resistencia Dinámica (r_d)

En el modelo de pequeña señal, se define la resistencia dinámica (r_d). Es la inversa de la pendiente de la recta tangente a la curva v-i en el punto Q.

La tensión total en el diodo v_D(t) se puede expresar como la suma de la componente continua (V_D0) y la componente alterna (i_d(t) * r_d):

v_D(t) = V_D0 + i_D(t) * r_d

Considerando la corriente total i_D(t) = I_D + i_d(t), donde I_D es la corriente continua en Q e i_d(t) es la señal alterna:

v_D(t) = V_D0 + (I_D + i_d(t)) * r_d

Agrupando términos continuos: V_D = V_D0 + I_D * r_d (Tensión DC aproximada en el modelo linealizado)

v_D(t) = (V_D0 + I_D * r_d) + i_d(t) * r_d = V_D + i_d(t) * r_d

Efectos a Altas Frecuencias

A altas frecuencias, el modelo de pequeña señal debe incorporar efectos capacitivos debidos principalmente al almacenamiento de carga de portadores minoritarios en la unión cuando está en polarización directa (Capacidad de difusión).

Utilidad del Modelo

La principal utilidad del modelo de pequeña señal es que permite separar el análisis del circuito en dos partes:

1. Análisis DC (Corriente Continua): Para determinar el punto de operación Q.
2. Análisis AC (Corriente Alterna): Para analizar el comportamiento del circuito frente a la señal alterna de pequeña amplitud, utilizando la resistencia dinámica r_d y las capacidades relevantes (especialmente a altas frecuencias).

Esto simplifica significativamente el estudio de circuitos con diodos y señales variables.

Comportamiento del Diodo en Conmutación (Gran Señal)

Cuando el diodo cambia entre los estados de conducción (ON) y corte (OFF) debido a señales de gran amplitud, se observan tiempos de transición:

• t_s (Tiempo de Almacenamiento): Corresponde al tiempo necesario para extraer los portadores minoritarios almacenados en exceso en la unión cuando pasa de conducción a corte.
• t_t (Tiempo de Transición): Corresponde al tiempo necesario para cargar la capacidad de la zona de agotamiento una vez eliminada la carga almacenada.
• t_rr (Tiempo de Recuperación Inversa): Es el tiempo total que tarda el diodo en pasar completamente al estado de corte (t_rr = t_s + t_t).

Obtención del Punto de Operación del Diodo (Análisis DC)

Para determinar la corriente (I_D) y la tensión (V_D) en el diodo en un circuito DC, se siguen estos pasos:

1. Obtener el Equivalente de Thévenin del circuito que alimenta al diodo. Se calculan la tensión de Thévenin (V_TH) y la resistencia de Thévenin (R_TH) vistas desde los terminales del diodo.
2. Plantear la Ecuación de la Recta de Carga a partir de la Ley de Kirchhoff de Voltajes (LKV) en la malla que incluye el equivalente Thévenin y el diodo: V_TH = I_D * R_TH + V_D.
3. Dibujar la Recta de Carga sobre los mismos ejes coordenados que la característica v-i del diodo en polarización directa. La intersección de la curva del diodo y la recta de carga es el punto de operación Q (V_D, I_D).

Aplicaciones Específicas de Diodos

Diodo Zener

Si se diseña un circuito para que el punto de funcionamiento de un diodo Zener esté en su zona de ruptura inversa (zona Zener), la tensión entre sus terminales (V_Z) permanecerá prácticamente constante, independientemente de la corriente que lo atraviese (dentro de ciertos límites). Esto permite su uso como regulador de tensión, manteniendo constante la tensión en una carga R_L conectada en paralelo.

Diodo Schottky

Una característica distintiva del diodo Schottky (unión metal-semiconductor) es que no presenta almacenamiento significativo de carga debida a portadores minoritarios inyectados en polarización directa. Esto se traduce en tiempos de conmutación mucho más rápidos (t_rr muy bajo) comparado con los diodos de unión PN convencionales.

Conceptos Fundamentales de Semiconductores y Uniones PN

Semiconductor Tipo P

Es un semiconductor extrínseco dopado con impurezas aceptoras. En este material, los huecos son los portadores de carga mayoritarios y los electrones son los minoritarios.

Capacidad de Difusión

Está asociada al almacenamiento de portadores minoritarios inyectados a través de la unión bajo polarización directa. Es significativa en directa y despreciable en inversa.

Polarización Inversa

• En una unión PN polarizada inversamente, el campo eléctrico en la zona de agotamiento se intensifica, oponiéndose al flujo de portadores mayoritarios y facilitando el flujo de portadores minoritarios (generados térmicamente), lo que da lugar a la pequeña corriente de fuga inversa.
• La zona de agotamiento se ensancha en comparación con la situación sin polarización o con polarización directa.

Efecto Túnel (Base del Diodo Zener para Vz < 5V)

Se produce en uniones PN con semiconductores muy dopados, lo que resulta en una zona de agotamiento muy estrecha incluso en polarización inversa. Si la tensión inversa es suficiente (típicamente por debajo de 5V para este mecanismo), el campo eléctrico se vuelve extremadamente intenso (~10⁶ V/cm) y puede romper directamente los enlaces covalentes, permitiendo a los electrones atravesar la barrera de potencial por efecto túnel (mecanismo Zener).

Transistor Bipolar de Unión (BJT)

Estructura NPN

Para que la unión de tres capas de semiconductor en la secuencia N-P-N funcione como un transistor bipolar de unión (BJT) NPN y no simplemente como dos uniones PN independientes, se requieren dos condiciones estructurales clave:

1. La zona central (Base, tipo P) debe ser físicamente muy estrecha.
2. La región del Emisor (tipo N) debe estar mucho más dopada que la región de la Base.

Principio de Funcionamiento (Corriente Colector-Emisor)

La corriente principal de colector a emisor en un BJT (operando en la región activa) se debe fundamentalmente al flujo de portadores mayoritarios del emisor (electrones en un NPN) que son inyectados a través de la unión base-emisor (polarizada directamente) hacia la base delgada. Al ser minoritarios en la base, la mayoría de ellos difunden a través de ella y son rápidamente arrastrados por el fuerte campo eléctrico de la unión base-colector (polarizada inversamente), llegando así al colector.