CARACTERÍSTICAS DEL DIODO SEMICONDUCTOR DE POTENCIA

Imagen de un diodo de potencia

Un diodo de potencia es un dispositivo de unión PN con dos terminales. Una unión PN se forma, en el caso normal, por aleación, difusión y crecimiento epitaxial. Las técnicas modernas de control de los procesos de difusión y epitaxiales permiten obtener las características deseadas en el dispositivo. La siguiente figura muestra un corte de una unión PN y el símbolo del diodo.

Imagen de una unión PN y el símbolo del diodo

Cuando el potencial es positivo con respecto al cátodo, se dice que el diodo está polarizado directo, y conduce electricidad. Un diodo conductor tiene una caída directa de voltaje a través de él relativamente pequeña; la magnitud de esta caída depende del proceso de manufactura y de la temperatura de la unión. Cuando el potencial del cátodo es positivo con respecto al del ánodo, se dice que el diodo está polarizado inverso. Bajo condiciones de polarización inversa, pasa una corriente pequeña inversa (que también se llama corriente de fuga o corriente de pérdida), del orden de micro o miliamperios; esta corriente de fuga aumenta de magnitud en forma paulatina hasta que se llega al voltaje de avalancha o de Zener. La siguiente figura ( a ) muestra las características V-I de estado permanente para un diodo. 

Para la mayor parte de los fines prácticos, se puede considerar que un diodo es un interruptor ideal, cuyas características se ven en la figura ( b ).

Características V-I de un diodo

Las características V-I que se ven en la anterior figura ( a )  se pueden expresar por medio de una

ecuación, la llamada ecuación de diodo de Schockley, que para el funcionamiento en estado permanente es

I_D = I_S ( e^{VD  / nVT}  - 1 )

en la que I_D = corriente a través del diodo, A ;

               VD  = voltaje del diodo, con ánodo positivo respecto al cátodo, V ;

                I_{S  =}  corriente de fuga (o de saturación en sentido inverso), normalmente entre 10^-6

                        y 10^-15 A ;

                n = constante empírica llamada coeficiente de emisión o factor de idealidad, cuyo valor varía de 1 a 2.

El coeficiente de emisión n depende del material y de la construcción física del diodo. Para los diodos de germanio, se considera que n es 1. Para los de silicio, el valor teórico de n es 2, pero para la

mayor parte de los diodos prácticos de silicio, el valor de n está entre 1.l y 1.8.

En la ecuación :

I_D = I_S ( e^{VD  / nVT}  - 1 ) 

                                 VT es una constante llamada voltaje térmico, y se define por  VT = kT / q

donde q =carga del electrón: 1.6022 x 10^-19 C (coulomb) ;

           T temperatura absoluta en kelvin (K =273 + °C) ;

           k = constante de Boltzmann: 1.3806 x 10^-23 J/K.

A una temperatura de 25°C en la unión, la ecuación VT = kT / q  ,  da como resultado

VT = kT / q = 1,3806 x  10^-23  x (273 + 25)  /  1,6022 x  10^-19  = 25,7 mV  

A una temperatura especificada, la corriente de fuga I_S, es constante para un diodo dado. La curva característica del diodo en la anterior figura ( a ) se puede dividir en tres regiones:

• Región de polarización directa, donde V_D >0
• Región de polarización inversa, donde V_D <0
• Región de rompimiento, donde V_D < -V_BR

Región de polarización directa 

En esta región, V_D > Vo. La corriente I_D en el diodo es muy pequeña, si el voltaje del diodo V_D es menor que un valor específico V_TD (en forma típica es 0.7 V). El diodo conduce en forma total si V_D es mayor que V_TD, al que se le conoce como voltaje de umbral, voltaje de entrada, voltaje de activación, voltaje de cierre o voltaje de encendido. 

Así, el voltaje de umbral es aquel con el cual el diodo conduce en forma total.

Imaginemos un voltaje pequeño de diodo, V_D = 0.1V , n = 1 y V_T = 25.7 mV. De acuerdo con la ecuación anterior se puede determinar la corriente correspondiente en el diodo, I_D como sigue:

I_D = I_S ( e^{VD / nVT}  - 1 ) = I_S(e^{0,1(1x0,0257)} -1) = I_S(48,96 – 1) = 47,96 I_S

que se puede aproximar a I_D = I_S e^{VD / n VT} = 48,96 I_S , con un error de 2.1%. Al aumentar V_D, el

error disminuye con rapidez.

En consecuencia, cuando V_D > 0.1 V, como suele ser el caso normal, I_D >> I_{S ,} y la ecuación se puede aproximar dentro de un error de 2.1% , a

I_D = I_S ( e^VD / n^VT  - 1 ) = I_S e^{VD / nVT}

Región de polarización inversa 

En esta región V_D < 0. Si V_D es negativo y |V_D| >>  V_T , lo cual sucede cuando V_D  < -0.1 V, el término exponencial de la ecuación anterior se vuelve muy pequeño en comparación con la unidad y se puede despreciar, entonces la corriente en el diodo I_D es

I_D = - I_S

lo cual indica que la corriente en el diodo, I_D, en sentido inverso, es constante e igual a I_S.

Región de rompimiento 

En esta región de rompimientos (o de ruptura, de disrupción o de avalancha) el voltaje en sentido inverso es alto, por lo general con una magnitud mayor que 1000 V. La magnitud del voltaje en sentido inverso puede ser mayor que un voltaje especificado llamado voltaje de rompimiento (o voltaje de ruptura, voltaje de disrupción o tensión de ruptura) V_BR . Con un pequeño cambio en el voltaje en sentido inverso más allá de V_BR. Con aumento pequeño de voltaje en sentido inverso V_BR la corriente en sentido inverso aumenta en forma rápida. El funcionamiento en la región de rompimiento no será destructivo siempre y cuando la disipación de la corriente quede dentro de un "nivel de seguridad" que se especifica en las hojas de datos del fabricante. Sin embargo, con frecuencia es necesario limitar la corriente inversa en la región de rompimiento, para limitar la disipación de potencia a un valor admisible.

Ejemplo de cálculo de la corriente de saturación

La caída directa de voltaje de un diodo de potencia es V_D = 1.2V a I_D = 300A. Suponiendo que n = 2 y V_T  = 25mV, calcular la corriente de saturación inversa I_S  

Solución

Si se aplica la ecuación estudiada anteriormente se puede calcular la corriente de fuga (o de saturación) I_S  con:

300 = I_S (e^{1,2 / (2x25,7x10-3)} – 1 )

Cuyo resultado es I_S = 2,17746 x 10 ^-8 A

Resumiendo lo que hemos visto en esta publicación tenemos que:

Un diodo tiene una curva característica V - I no lineal, formada por tres regiones: polarización directa, polarización inversa y rompimiento. En la condición de conducción en sentido directo, la caída en el diodo es pequeña de 0.7 V en forma típica. Si el voltaje en sentido inverso es mayor que el voltaje de rompimiento, puede dañarse el diodo.

En el siguiente post vamos a ver las características de recuperación inversa de un diodo semiconductor de potencia.

Escrito por Archie Tecnology

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