LECCIÓN 26: DIODOS DE CUATRO CAPAS

El diodo de cuatro capas o diodo Shockley es un dispositivo compuesto por cuatro capas semiconductores npnp, cuya estructura y símbolo se describen en la figuras 161a y 161b. Esencialmente es un dispositivo interruptor. Al aplicar un tensión positiva entre ánodo y cátodo se puede observar que la unión J1 y J3 esta polarizada en directa, y la unión J2 polarizada en inversa.

En estas condiciones únicamente circula una corriente muy baja (despreciable) y el dispositivo se encuentra cortado. Aumentando esta tensión positiva se llega a una tensión VBO de ruptura o avalancha donde la corriente crece de forma abrupta y la caída de tensión decrece de la misma manera. En este momento, el diodo ha conmutado desde el estado de bloqueo a conducción.


Figura 161. Diodo de cuatro capas: a) Estructura, b) símbolo, c) estructura equivalente y d) modelo de conducción.

Una manera sencilla de entender el funcionamiento de este diodo consiste en separar su estructura física en dos mitades (figura 161a). La mitad izquierda es un transistor NPN y la mitad derecha PNP, resultando el circuito mostrado en la figura 161d que normalmente es referido como candado.


Figura 162. Características tensión/corriente del diodo de cuatro capas.

Las características eléctricas de un diodo de cuatro capas se muestran en la grafica de la figura 162. En esta grafica, se pueden identificar dos zonas y cuatro regiones de operación:

1.- Zona directa (V > 0)

1.a) Región de corte.

El diodo se encuentra en corte con unas corrientes muy bajas. En esta región se puede modelar como una resistencia ROFF de valor:


1.b) Región de resistencia negativa.

Cuando la tensión entre ánodo y cátodo es suficientemente alta se produce la ruptura de la unión con un incremento muy elevado en corriente comportándose el diodo como si fuera una resistencia negativa debido a la realimentación positiva de su estructura.

1.c) Región de saturación o conducción.

En esta región, la caída de tensión entre ánodo y cátodo está comprendida entre 0.5V y 1.5 V, prácticamente independiente de la corriente. Se mantendrá en este estado siempre que la tensión y corriente alcancen unos valores mínimos conocidos como niveles de mantenimiento definidos por VH e IH.

2.- Zona inversa (V <0)

2.a) Región de ruptura.

El diodo puede soportar una tensión máxima inversa VRSM que superado ese valor entra en conducción debido a fenómenos de ruptura por avalancha.

 
 
EL SIDAC

El SIDAC es un dispositivo bilateral de disparo de alta tensión y corriente. Es básicamente un diodo de cuatro capas con unas características eléctricas simétricas. En la figura 163a se describe su estructura física, en la figura No. 163b el símbolo de este dispositivo y en la figura 163c sus características eléctricas simétricas.

El SIDAC se utiliza en aquellas aplicaciones que se necesitan una tensión de disparo VBO cuyos valores están comprendidos entre 120 V y 270 V (típicos).


Figura 163. SIDAC: a) estructura física, b) símbolo y c) características I-V.

El MKP3V120 de Motorola es un ejemplo típico de un SIDAC, con una corriente máxima de 1A y una tensión de ruptura de VBO=120 V (pertenece a la serie MKP3VXXX en donde las tres últimas cifras definen la VBO).

En la figura 164 se indican sus características I-V en estado de conducción. En este caso, la tensión ánodo-cátodo es aproximadamente ~1.1V prácticamente independiente de la corriente. Una de las aplicaciones más típicas del SIDAC es como generador de diente de sierra en donde se aprovecha las características de disparo y bloqueo de este dispositivo.


Figura 164. Características I-V en conducción del MKP3V120.

En la figura 165a se presenta el esquema de este circuito basado en el MKP3V120. Las principales características de este dispositivo son: VT « VH=1.1V, IH=100mA (máx.), VBO=120 V (typ), IBO=200 pA (máx.).

En la figura 165b se muestra la forma de onda de Vo que se asemeja a un diente de sierra. El funcionamiento del circuito es el siguiente. El condensador se carga a través de R cuando el SIDAC está cortado. En estas condiciones, el dispositivo se comporta como una resistencia ROff de valor
 

Esta resistencia es tan elevada que a efectos prácticos se puede considerar como despreciable. La ecuación del carga del condensador parte de una tensión inicial VH (VH=1.1V), correspondiente a la tensión de mantenimiento del SIDAC, hasta la tensión final VCC (VCC=200 V). Esta ecuación es
 

La tensión Vo (t) evoluciona de forma exponencial tal como se muestra en la figura 165b. Este proceso de carga del condensador finalizara cuando el SIDAC entre en conducción, situación que se produce cuando la tensión Vo (t) alcance la tensión de ruptura, es decir, el proceso de carga durara un tiempo to correspondiente al tiempo que tarda Vo (t) en tomar el valor VBO, es decir:

Vo (t - to) = VBO=120 V.

Este tiempo está definido por la siguiente ecuación


Figura 165. a) SIDAC como generador de diente de sierra. b) Forma de onda de Vo.

En el momento que entra en conducción el SIDAC, este descarga rápidamente el condensador C hasta su tensión de mantenimiento (VH). El dispositivo estará permanentemente en ese estado siempre que se asegure la corriente de mantenimiento IH de 100mA.
 

Pero en este circuito, la corriente que circula por R es menor que la corriente de mantenimiento, luego el SIDAC pasara a estado de corte de forma natural permitiendo que el condensador se cargue nuevamente a través de R y se repita el proceso indefinidamente. Si se desea que el SIDAC permanezca en conducción permanente con Vo = VH es preciso asegurar la corriente de mantenimiento, para lo cual la resistencia R tiene que ser menor que el valor de la resistencia critica obtenido por la siguiente expresión
 

A continuación un ejemplo de la hoja característica de un SIDAC:


 

 EL SBS

El SBS o Silicon Bidirectional Switch es un dispositivo de baja potencia simétrico para aplicaciones de disparo más versátil que el SIDAC. Tiene además un terminal adicional (gate o G) que permite modificar sus características de disparo con pequeños pulsos de corriente (decenas de µA). Su reducido coste, alta velocidad y capacidad para disparar puertas de tiristores con altos valores de corriente hace que este dispositivo sea muy útil en muchas aplicaciones. EL SBS no es solamente un versión mejorada del diodo de cuatro capas, sino que es fabricado como un circuito integrado constituido por transistores, diodos y resistencias. La figura 166a muestra su símbolo, la figura 166b su estructura a nivel circuital y la figura 166c sus características I -V. El MBS4991 de Motorola es un ejemplo típico de un SBS simétrico. Sus parámetros característicos de acuerdo a la grafica de la figura 166c son: VS=8 V, IS=175 µA, |H=0.7mA y VF=1.4 V El disparo de este dispositivo se puede realizar bien superando la tensión VS o bien aplicando una corriente de puerta IGf=100µA.


Figura 166. SBS: a) símbolo, b) circuito equivalente y c) Curva característica I-V

 
 A continuación un ejemplo de la hoja característica de un SBS: