Parámetros de los semiconductores de potencia

Resumen

En el presente trabajo vamos a realizar una
descripción breve de los semiconductores de potencia
buscando introducir y tener una idea básica de los para
metros y aspectos más importantes de los dispositivos
semiconductores de potencia. Se indica como están
conformados, que valores definen cada uno de los componentes y
adema s como se clasifican. A su vez se pretende abarcar lo
más importante aspectos de estos dispositivos
semiconductores que son la base de la Electrónica de
Potencia.

Index Terms—Dopado,
Polarización, Semiconductores.

I.
INTRODUCCION

Según el paso del tiempo la
tecnología de los dispositivos semiconductores tiene un
rápido avance convirtiéndolos en dispositivos
eficientes, fiables y más económicos. Su presencia
se la encuentra en todos lados, ya sea en industria, comercio, o
cualquier elemento de nuevas tecnologías. Dentro de los
dispositivos electrónicos de potencia más conocidos
podemos mencionar los diodos y transistores de potencia, el
tiristor, así como otros elementos derivados de estos como
pueden ser triac, diac, conmutador unilateral, transistor
uniunión , el transistor uniunión programable y el
diodo Shockley.

II.
SEMICONDUCTOR

Como un conocimiento general comenzaremos
definiendo a un semiconductor.

Un semiconductor es un componente que puede
tener dos estados como un conductor de corriente, pero
también como un aislante. En un conductor la corriente es
debida al movimiento de las cargas negativas (electrones). En los
semiconductores se producen corrientes producidas por el
movimiento de electrones como de las cargas positivas (huecos).
Los semiconductores son aquellos elementos pertenecientes al
grupo IV de la Tabla Periódica (Silicio, Germanio, etc.
Generalmente a estos se le introducen átomos de otros
elementos, denominados impurezas, de forma que la corriente se
deba primordialmente a los electrones o a los huecos, dependiendo
de la impureza introducida. Otra característica que los
diferencia se refiere a su resistividad, estando esta comprendida
entre la de los metales y la de los aislantes.

III.
CARACTERÍSTICAS

Las características esenciales que
define un dispositivo semiconductor de potencia las podemos
resumir en los siguientes puntos:

Tener dos estados claramente definidos, uno
de alta impedancia (bloqueo) y otro de baja impedancia
(conducción). Poder controlar el paso de un estado a otro
con facilidad y pequeña potencia.

Ser capaces de soportar grandes
intensidades y altas Tensiónes cuando está en
estado de bloqueo, con pequeñas caídas de
tensión entre sus electrodos, cuando está en estado
de conducción. Ambas condiciones lo capacitan para
controlar grandes potencias.

Rapidez de funcionamiento para pasar de un
estado a otro.

IV. VALORES QUE
DEFINEN UN COMPONENTE

Para poder definir un dispositivo
semiconductor de potencia debemos conocer los siguientes
términos:

Tensión inversa: es la
Tensión que el dispositivo puede bloquear sin sufrir
ningún daño ni modificación.

Tensión directa: es la caída
de Tensión cuando el dispositivo se encuentra en estado
conducción.

Y otros términos mas como son la
potencia máxima, temperatura máxima de la
unión etc.

V.
CLASIFICACION

Podemos dividir a los semiconductores en 3
bloques básicos:

V-A. Semiconductores de Potencia

Soportan Tensiones e intensidades elevadas
dependienta del dispositivo. Su uso esta presente en la industria
por ejemplo para control de motores asíncronos, caldeo
inductivo, rectificadores.

V-B. Módulos de potencia

Soportan menos Tensión, entre sus
principales aplicaciones están soldadura al arco sistema
de alimentación ininterrumpida (SAI), control de
motores.

V-C. Semiconductores de baja
potencia

El nivel de intensidad de corriente que
soportan es relativamente bajo en comparación de los dos
grupos mencionados anteriormente, entre sus principales
aplicaciones están control de motores, aplicaciones
domésticas, control de iluminación.

VI. PRINCIPALES
DISPOSITIVOS DE POTENCIA

VI-A. Diodos

Figura 1. Diodo

Entre los principales dispositivos de
potencia se puede mencionar al diodo que son dispositivos
unidireccionales, no pudiendo circular la corriente en sentido
contrario al de conducción Los diodos de potencia se
caracterizan porque en estado de conducción, deben ser
capaces de soportar una alta intensidad con una pequeña
caída de Tensión. En sentido inverso, deben ser
capaces de soportar una fuerte Tensión negativa de anodo
con una pequeña intensidad de fugas.

Figura 2. Curva característica del
diodo

VII.
CARACTERÍSTICAS DEL DIODO

Las características más
importantes que podemos mencionar del diodo se pueden agrupar de
la siguiente forma:

VII-A. Características
Estáticas

VII-A1. Para metros en Conducción:
Además, en los diodos de silicio normalmente se produce
una caída de Tensión en la barrera de la juntura
que oscila entre los 0,6 y los 0,8

V dependiendo de la temperatura y de la
concentración de impurezas en la unión.

Los valores de corrientes a considerar
son:

Intensidad media nominal (IF(AV)): es el
valor medio de la maxima intensidad de impulsos sinusoidales de
180º que el diodo puede soportar.

Intensidad de pico repetitivo (IFRM): es
aquella que puede ser soportada cada 20 mseg, con una
duración de pico a 1 mseg, a una determinada temperatura
de la capsula (normalmente 25 ºC).

Intensidad directa de picóno
repetitiva (IFSM): es el maximo pico de intensidad aplicable, una
vez cada 10 minutos, con una duración de 10 mseg. Su valor
es importante en el caso de corrientes de conexión, por
ejemplo debidas a la maniobra de capacitores. Intensidad directa
(IF): es la corriente que circula por el diodo cuando se
encuentra en el estado de conducción.

VII-A2. Para metros en bloqueo: Cuando se
aplica una Tensión inversa "moderada" a un rectificador de
silicio, a traves del mismo fluye una pequeña corriente de
fuga. A medida que la Tensión inversa se va incrementando
la corriente de fuga crece lentamente, hasta que en determinado
valor se produce un aumento muy brusco de la corriente de fuga,
que en los diodos de potencia da lugar a un embalamiento termico
que puede destruir al semiconductor. A esta Tensión se la
llama tambien Tensión de ruptura, de avalancha o de
Zener.

Los valores de Tensiónes a
considerar son:

Tensión inversa de pico de trabajo
(VRWM): es la que puede ser soportada por el dispositivo de forma
continuada, sin peligro de entrar en ruptura por avalancha.
Tensión inversa de pico repetitivo (VRRM): es la que puede
ser soportada en picos de 1 mseg, repetidos cada 10
mseg de forma continuada.

Tensión inversa de picóno
repetitiva (VRSM): es aquella que puede ser soportada una sola
vez durante 10 mseg cada 10 minutos o mas.

Tensión de ruptura (VBR): si se
alcanza, aunque sea una sola vez, durante 10 mseg el diodo puede
destruirse o degradar las características del
mismo.

Tensión inversa continua (VR): es la
Tensión continua que soporta el diodo en estado de
bloqueo.

A continuación se muestra una
grafica que abarca todos los terminos mencionados

Figura 3. Tensión en el
diodo

VII-A3. modelos esta ticos del diodo: Los
distintos modelos del diodo son:

Modelo ideal: resistencia cero en el
sentido directo e infinita en el sentido inverso (diodo
ideal).

Modelo ideal con fuente de Tensión:
diodo ideal en serie con una fuente de Tensión de valor
igual a la Tensión de barrera de la unión o
juntura.

Modelo ideal con fuente de Tensión y
resistencia: diodo ideal en serie con una fuente de
Tensión de valor igual a la Tensión de barrera y
con una resistencia igual a la del diodo en
conducción.

Estos modelos facilitan los calculos a
realizar, para lo cual debemos escoger el modelo adecuado segu n
el nivel de precisión que necesitemos.

VII-B. Características
dinamicas

En el estudio de estos dispositivos de
potencia hay que dar un cuidado extra a los estado transitorios
provocados por la conmutación, hay que tener en cuenta las
características dinamicas, dado que los dispositivos no
son ideales, se requiere un tiempo, para conseguir el paso de
corte a conducción, t on y de conducción a corte, t
off.

VII-B1. Tiempo de conmutación a
corte (turn off): Cuando un diodo se encuentra conduciendo una
intensidad, Id la zona central de la unión p-n esta
saturada de portadores mayoritarios con tanta mayor densidad de
estos cuanto mayor sea dicha intensidad. Si el circuito exterior
fuerza la disminución de la corriente con una cierta
velocidad, di/dt aplicando una Tensión inversa, resultara
que despues del paso por cero de la señal i(t), hay un
periodo en el cual cierta cantidad de portadores cambian su
sentido de movimiento y permiten que el diodo conduzca en sentido
contrario. La Tensión inversa entre anodo y
catodóno se establece hasta despues de un tiempo, ts
durante el cual los portadores empiezan a escasear y aparece en
la unión una zona de carga espacial. La intensidad todavia
tarda un tiempo tf en pasar de un valor de picónegativo
Irr a un valor practicamente nulo, mientras se va descargando la
capacidad interna de la unión.

VII-B2. Tiempo de corte a conducción
(turn on): Por ser practicamente despreciables los efectos
provocados por el tiempo de recuperación directa, indicar
solamente que se conoce como Turn on, al tiempo que transcurre
entre el instante en que la Tensión entre el anodo y
catodo se hace positiva y en el que dicha Tensión alcanza
el valor normal de conducción. Es decir el tiempo de paso
de corte a conducción.

VII-B3. Tiempo de recuperación
inverso: El paso del estado de conducción al de bloqueo en
el diodóno se efectu a instantaneamente. Si un diodo se
encuentra conduciendo una intensidad IF, la zona central de la
unión P-N esta saturada de portadores mayoritarios con
tanta mayor densidad de estos cuanto mayor sea IF. Si mediante la
aplicación de una Tensión inversa forzamos la
anulación de la corriente con cierta

Figura 4. Tiempo de recuperación
inversa

VII-B4. Influencia del trr en la
conmutación: Si el tiempo que tarda el diodo en conmutar
no es despreciable:

Se limita la frecuencia de funcionamiento,
pues a altas frecuencias disminuye abruptamente el rendimiento de
la rectificación.

Existe una disipación de potencia
durante el tiempo de recuperación inversa, que puede
llegar a producir sobrecalentamiento y destrucción del
diodo.

Para altas frecuencias, por lo tanto,
debemos usar diodos de velocidad di/dt, resultara que despues del
paso por cero de recuperación rapida. la corriente existe
cierta cantidad de portadores que cambian su sentido de
movimiento y permiten que el diodo conduzca

A mayor IRRM menor trr.

Cuanta mayor sea la intensidad principal
que atraviesa el en sentido contrario durante un instante, dando
lugar a una pequeña corriente inversa de
recuperación. La Tensión inversa entre anodo y
catodóno se establece hasta despues del tiempo diodo mayor
sera sera trr. la carga almacenada, y
por tanto mayor

ta llamado tiempo de almacenamiento, en el
que los portadores empiezan a escasear y aparece en la
unión la zona de carga espacial. La intensidad todavia
tarda un tiempo tb (llamado tiempo de caída) en pasar de
un valor de picónegativo (IRRM) a un valor despreciable
mientras van desapareciendo el exceso de portadores.
Entonces:

Tiempo de almacenamiento (ta): es el tiempo
que transcurre desde el paso por cero de la intensidad hasta
llegar al picónegativo.

Tiempo de caída (tb): es el tiempo
transcurrido desde el picónegativo de intensidad hasta que
esta se anula, y es debido a la descarga de la capacidad de la
unión polarizada en inverso. En la practica se suele medir
desde el valor de picónegativo de la intensidad hasta el
10 % de este.

Tiempo de recuperación inverso
(trr): es la suma de ta y tb.

La relación entre tb/ta es conocida
como factor de suavizado

"SF".

VII-B5. Tiempo de recuperación
directa: El tiempo de

recuperación directo (tfr): es el
tiempo que transcurre entre el instante en que la Tensión
anodo-catodo se hace positiva y el instante en que dicha
Tensión se estabiliza en el valor VF.

Este tiempo es bastante menor que el de
recuperación inversa y no suele producir perdidas de
potencia apreciables.

Figura 5. Tiempo de Recuperación
directa

VII-C. Potencia

VII-C1. Potencia ma xima disipable: Es un
valor de potencia que el dispositivo puede disipar, peróno
debemos confundirlo con la potencia que disipa el diodo durante
el funcionamiento, llamada esta potencia de trabajo.

VII-C2. Potencia media disipable: Es la
disipación de

potencia resultante cuando el dispositivo
se encuentra en estado de conducción, si se desprecia la
potencia disipada debida a la corriente de fugas.

Generalmente el fabricante incluye tablas
en las hojas

de características, que indican la
potencia disipada por el elemento para una intensidad
conocida.

Otro dato que puede dar el fabricante son
las curvas que

relacionan la potencia media con la
intensidad media y el factor de forma (ya que el factor de forma
es la intensidad eficaz dividida entre la intensidad
media).

VII-C3. Potencia inversa de pico repetitivo
(PRRM): Es

la maxima potencia que puede disipar el
dispositivo en estado de bloqueo.

VII-C4. Potencia inversa de picóno
repetitivo (PRSM):

Similar a la anterior, pero dada para un
pulso u nico

VII-D. Características
termicas

VII-D1. Temperatura de la unión
(Tjma x): Es el limite superior de temperatura que nunca debemos
hacer sobrepasar a la unión o juntura del dispositivo si
queremos evitar su inmediata destrucción. En ocasiones, en
lugar de la temperatura de la unión se nos da la
"operating temperature range" (margen de temperatura de
funcionamiento), que significa que el dispositivo se ha fabricado
para funcionar en un intervalo de temperaturas comprendidas entre
dos valores, uno minimo y otro maximo.

VII-D2. Temperatura de almacenamiento
(Tstg) : Es la

temperatura a la que se encuentra el
dispositivo cuandóno se le aplica ninguna potencia. El
fabricante suele dar un margen de valores para esta
temperatura.

VII-D3. Resistencia termica
unión-contenedor (Rthjc) :

Es la resistencia entre la unión del
semiconductor y el encapsulado del dispositivo. En caso de no dar
este dato el fabricante, se puede calcular mediante la fo
rmula:

Rthjc = (Tjmax Tc) / Pmax

Donde Tc es la temperatura del contenedor y
Pmax la potencia maxima disipable.

VII-D4. Resistencia termica
contenedor-disipador (Rthcd)

Es la resistencia existente entre el
contenedor del dispositivo y el disipador (aleta refrigerante).
Se supone que la propagación se efectu a directamente sin
pasar por otro medio (como mica aislante, etc).

VIII. TRANSISTOR

El transistor bipolar es conocido como un
elemento amplificador de señal. En el contexto de los
componentes electrónicos de Potencia, es usado como un
dispositivo de conmutación, ya que, dispone de las
características que lo convierten en un conmutador casi
ideal. A diferencia del transistor bipolar normal, en el cual, la
zona de trabajo mas importante es la lineal, en el transistor de
potencia los estados mas importantes

de funcionamiento son saturación y
corte. Estos dos estados se corresponden con los estados cerrado
y abierto del conmutador ideal.

Figura 6. Transistor

Los transistores bipolares de alta potencia
se utilizan fundamentalmente para trabajar con frecuencias por
debajo de

10KHz y en aplicaciones que requieran 1.200
V y 400 A como maximo.

Entre las características
principales de los transistores po-

demos mencionar las siguientes:

IC = Intensidad maxima que puede circular
por el Colector

VCE0 = Tensión de ruptura de
colector con base abierta, (maxima Tensión C-E que se
puede aplicar

Frecuencia de corte

VCBO = Tensión de ruptura colector
base con base abierta

VEBO = Tensión de ruptura emisor
base con base abierta

VCEOSUS = Tensión de ruptura por un
aumento excesivo de la corriente de colector y de la
Tensión C E VCEO = Tensión de ruptura colector
– emisor, con base abierta.

VCER = Tensión colector –
emisor con resistencia de base especificada.

VCEX = Tensión colector –
emisor con circuito especificado entre base –
emisor.

VCES = Tensión colector –
emisor con unión base –

emisor cortocircuitada

IX. TIRISTOR

Los tiristores son una familia de
dispositivos semiconductores de cuatro capas (pnpn), que se
utilizan para controlar grandes cantidades de corriente mediante
circuitos electrónicos de bajo consumo de
potencia.

Figura 7. Tiristor

El tiristor engloba una familia de
dispositivos semiconductores que trabajan en conmutación,
teniendo en comu n una estructura de cuatro capas semiconductoras
en una secuencia

P-N-PN, la cual presenta un funcionamiento
biestable (dos estados estables). La conmutación desde el
estado de loqueo ("OFF") al estado de conducción ("ON") se
realiza normalmente por una señal de control externa. La
conmutación desde el estado "ON" al estado "OFF" se
produce cuando la corriente por el tiristor es mas pequeña
que un determinado valor, denominada corriente de mantenimiento,
("holding current"), especifica para cada tiristor.

Figura 8. Curva caracteristica del
tiristor

Dentro de la familia de los tiristores los
elementos mas comunes son el Diodo Shockley, SCR (Silicon
Controlled Rectifier), GCS (Gate Controlled Switch), SCS (Silicon
Controlled Switch), Diac y Triac.

SCR (Rectificador Controlado de Silicio):
El SCR es uno de los dispositivos mas antiguos que se conocen
dentro de la Electrónica de Potencia (data de finales de
los años 50). Ademas, continua siendo el dispositivo que
tiene mayor capacidad para controlar potencia (es el dispositivo
que permite soportar mayores Tensiónes inversas entre sus
terminales y mayor circulación de corriente). El SCR esta
formado por cuatro capas semiconductoras, alternadamente P-N-P-N,
Si entre anodo y catodo tenemos una Tensión positiva, las
uniones J1 y J3 estaran directamente polarizadas, en cuanto que
la unión J2 estara inversamente polarizada. No habra
conducción de corriente hasta que la Tensión VAK
aumente hasta un valor que provoque la ruptura de la barrera de
potencial en J2.

TRIAC: Es un tiristor bidireccional de tres
terminales. Permite el paso de corriente del terminal A1 al A2 y
viceversa, y puede ser disparado con Tensiónes de puerta
de ambos signos. Cuando se trabaja con corriente alterna, es
interesante poder controlar los dos sentidos de
circulación de la corriente. Evidentemente, con un SCR, so
lo podemos controlar el paso de corriente en un sentido. Por
tanto uno de los motivos por el cual los fabricantes de
semiconductores han diseñado el TRIAC ha sido para evitar
este inconveniente.

GTO ("Gate Turn-Off Thyristor"): A pesar de
que el

GTO fue inventado en el inicio de la decada
de los años

60, ha sido poco empleado debido a sus
reducidas prestaciones. Con el avance de la tecnologia en el
desarrollo de dispositivos semiconductores, se han
encontradónuevas soluciones para mejorar tales componentes
que hacen que hoy ocupen una franja significa dentro de la
electrónica de potencia, especialmente en aquellas
aplicaciones de elevada potencia, con dispositivos que alcanzan
los 5000

V y los 4000 A.

X. TABLA DE PRESTACIONES

Cuadro I

PARA METROS DE LOS
SEMICONDUCTORES

XI. CONCLUSIONES

Como conclusión al presente ensayo
se puede mencionar que la electrónica de potencia con el
paso del tiempo ha tenido grandes cambios, y dichos cambios
siguen en proceso para dar soluciones mas eficientes.

La clasificación de los dispositivos
semiconductores depende de la intensidad de corriente y
Tensiónes,ya que es muy importante conocer las
características de conducción, por que nos permite
administrar debidamente los parametros de voltaje o corriente con
los que se puede trabajar, evitando que sufran algu n daño
los componentes electrónicos.

Los dispositivos semiconductores, son
elementos que permiten trabajar circuitos de potencia,
rectificación y muchas otras aplicaciones.

En la actualidad es muy importante el
estudio de los semiconductores de potencia, ya que junto a la
ingenieria de control estan desarrollando el campo de la
generación, transmisión y distribución de
energia electrica.

REFERENCIAS

[1] Sanchez Diaz. Dispositivos
semicondutores de potencia. page 14, 2010. [2] BENAVENT GARCIA
Jose Manuel. Electronica de Potencia:Teoria y

aplicaciones, volume 1. 1999.

[3] GUALDA Juan MARTINEZ Salvador.
Electronica de Potencia:componentes, topologias y equipos, volume
1. 2006.

[4] MUHAMMAD RASHID. Electrónica de
Potencia, volume 1. 2004.

Autor:

José Sarango
Chamba