Indice

INTRODUCCIÓN………………………………………………………………………….2

TIPOS DE DIODOS……………………………………………………………………….5

Diodos de Uso Común……………..……………………………………………..5

Diodo Zener……………………………………………………………………….10

Diodo Emisor de Luz (LED)…………………………………………………….12

Fotodiodos………………………………………………………………………...15

Diodos de Efecto Tunel…………………………………………………………16

Diodo Varactor……………………………………………………………………17

Diodo Varistor…………………………………………………………………….18

Diodo Schottky (Diodo de Barrera)………………………………………..….20

Diodo Láser…………………………………………………………………….….22

SIMBOLOGÍA……………………………………………………………………………24

BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………………….25

Introducción

Diodo, componente electrónico que permite el paso de la corriente en un solo sentido. Los diodos más empleados en los circuitos electrónicos actuales son los diodos fabricados con material semiconductor. El más sencillo, el diodo con punto de contacto de germanio, se creó en los primeros días de la radio. En los diodos de germanio (o de silicio) modernos, el cable y una minúscula placa de cristal van montados dentro de un pequeño tubo de vidrio y conectados a dos cables que se sueldan a los extremos del tubo.

Los diodos de unión constan de una unión de dos tipos diferentes de material semiconductor. El diodo Zener es un modelo especial de diodo de unión, que utiliza silicio, en el que la tensión en paralelo a la unión es independiente de la corriente que la atraviesa. Debido a esta característica, los diodos Zener se utilizan como reguladores de tensión. Por otra parte, en los diodos emisores de luz (LED, acrónimo inglés de Light-Emitting Diode), una tensión aplicada a la unión del semiconductor da como resultado la emisión de energía luminosa. Los LED se utilizan en paneles numéricos como los de los relojes digitales electrónicos y calculadoras de bolsillo.

Para resolver problemas referentes a los diodos se utilizan en la actualidad tres aproximaciones:

• La primera aproximación es la del diodo ideal, en la que se considera que el diodo no tiene caída de tensión cuando conduce en sentido positivo, por lo que esta primera aproximación consideraría que el diodo es un cortocircuito en sentido positivo. En cambio, el diodo ideal se comporta como un circuito abierto cuando su polarización es inversa.

• En la segunda aproximación, consideramos que el diodo tiene una caída de tensión cuando conduce en polarización directa. Esta caída de tensión se ha fijado en 0.7 V para el diodo de silicio, lo que hace que la segunda aproximación pueda representarse como un interruptor en serie con una fuente de 0.7 V.

• La tercera aproximación aproxima más la curva del diodo a la real, que es una curva, no una recta, y en ella colocaríamos una resistencia en serie con la fuente de 0.7 V.

Siendo, en la ecuación anterior, Rb la resistencia de la tercera aproximación (generalmente muy pequeña), y Id la corriente de polarización del diodo. La más utilizada es la segunda aproximación.

Los diodos de unión p-n y los zener tienen características constructivas que los diferencian de otros. Su tamaño, en muchos casos, no supera el de una resistencia de capa o de película de 1/4W y aunque su cuerpo es cilíndrico, es de menor longitud y diámetro que las resistencias. Aunque existe gran variedad de tipos, sólo algunos especiales difieren de su aspecto. No ocurre lo mismo con el tamaño, pues es función de la potencia que pueden disipar. Es característico encontrarse un aillo en el cuerpo que nos indica el cátodo. Para aquellos cuyo tipo concreto viene señalado por una serie de letras y números, el cátodo es marcado mediante un anillo en el cuerpo, próximo a este terminal. Otros usan códigos de

colores, y en ellos el cátodo se corresponde con el terminal más próximo a la anda de color más gruesa. Existen fabricantes que marcan el cátodo con la letra "K" o el ánodo con la "a". Los diodos de punta de germanio suelen encapsularse en vidrio. En cuanto a los diodos LED, se encuentran encapsulados en resinas de distintos colores, segun sea la longitud de onda con la que emita. El ánodo de estos diodos es más largo que el cátodo, y usualmente la cara del encapsulamiento próxima al cátodo es plana.

Una forma práctica de determinar el cátodo consiste en aplicar un polímetro en modo óhmetro entre sus terminales. Si el terminal de prueba se aplica de ánodo a cátodo, aparecen lecturas del orden de 20-30Ω. Si se invierten los terminales, estas lecturas son del orden de 200-300 KΩ para el Ge, y de varios MΩ para el Si. Si con el multitester utilizamos el modo de prueba de diodos, obtenemos el valor de la tensión de codo del dispositivo. Con ello conseguimos identificar los dos terminales (ánodo y cátodo), y el material del que esta hecho (0.5-0.7 V para el el Si, 0.2-0.4 para el germanio y 1.2-1.5 para la mayoría de los LED.

Tipos de Diodos

DIODO DE USO COMUN

El diodo semiconductor se forma uniendo los materiales tipo N y tipo P, los cuales deben estar construidos a partir del mismo material base, el cual puede ser Ge o Si. En el momento en que dos materiales son unidos (uno tipo N y el otro tipo P), los electrones y los huecos que están en, o cerca de, la región de "unión", se combinan y esto da como resultado una carencia de portadores (tanto como mayoritarios como minoritarios) en la región cercana a la unión. Esta región de iones negativos y positivos descubiertos recibe el nombre de Región de Agotamiento por la ausencia de portadores.

Existen tres posibilidades al aplicar un voltaje a través de las terminales del diodo:

• No hay polarización (Vd = 0 V).

• Polarización directa (Vd > 0 V).

• Polarización inversa (Vd < 0 V).

Vd = 0 V. En condiciones sin polarización, los portadores minoritarios (huecos) en el material tipo N que se encuentran dentro de la región de agotamiento pasarán directamente al material tipo P y viceversa. En ausencia de un voltaje de polarización aplicado, el flujo neto de carga (corriente) en cualquier dirección es cero para un diodo semiconductor.

La aplicación de un voltaje positivo "presionará" a los electrones en el material tipo N y a los huecos en el material tipo P para recombinar con los iones de la frontera y reducir la anchura de la región de agotamiento hasta desaparecerla cuando VD ³ 0.7 V para diodos de Silicio.

Id = I mayoritarios - Is

Condición de Polarización Inversa (Vd < 0 V). Bajo esta condición el número de iones positivos descubiertos en la región de agotamiento del material tipo N aumentará debido al mayor número de electrones libres arrastrados hacia el potencial positivo del voltaje aplicado. El número de iones negativos descubiertos en el material tipo P también aumentará debido a los electrones inyectados por la terminal negativa, las cuales ocuparán los huecos.

El fenómeno explicado anteriormente, en ambos tipos de material N y P, provocará que la región de agotamiento se ensanche o crezca hasta establecer una barrera tan grande que los portadores mayoritarios no podrán superar, esto significa que la corriente Id del diodo será cero. Sin embargo, el número de portadores minoritarios que estarán entrando a la región de agotamiento no cambiará, creando por lo tanto la corriente Is. La corriente que existe bajo condiciones de polarización inversa se denomina corriente de saturación inversa,

Is.

El término "saturación" proviene del hecho que alcanza su máximo nivel (se satura) en forma rápida y no cambia significativamente con el incremento en el potencial de polarización inversa, hasta que al valor Vz o VPI, voltaje pico inverso.

El máximo potencial de polarización inversa que puede aplicarse antes de entrar en la región Zener se denomina Voltaje Pico Inverso o VPI nominal.

Los diodos de silicio tienen generalmente valores nominales de VPI y de corriente más altos e intervalos de temperatura más amplios que los diodos de germanio.

El general, el funcionamiento de este diodo, a grandes rasgos es la siguiente: En la zona directa se puede considerar como un generador de tensión continua, tensión de codo (0.5-0.7 V para el silicio y 0.2-0.4 V para el germanio). Cuando se polariza en inversa se puede considerar como un circuito abierto. Cuando se alcanza la tensión inversa de disyunción (zona Inversa) se produce un aumento drástico de la corriente que puede llegar a destruir al dispositivo. Este diodo tiene un amplio margen de aplicaciones: circuitos rectificadores, limitadores, fijadores de nivel, protección contra cortocircuitos, demoduladores, mezcladores, osciladores, bloqueo y bypass en instalaciones fotovolcaicas, etc.

Cuando usamos un diodo en un circuito se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones (a partir de las hojas de características suministradas por el fabricante):

En la figura N°01, podemos observar la representación gráfica o símbolo para este tipo de diodo.

Figura N°01

Curva Diodo Real

Uno de los parámetros importantes para el diodo es la resistencia en el punto o región de operación. Si consideramos la región definida por la dirección de Id y la polaridad de Vd, encontraremos que el valor de la resistencia directa RF, de acuerdo a como se define con la ley de Ohm es:

Donde VF es el voltaje de polarización directo a través del diodo e IF es la corriente en sentido directo a través del diodo. El diodo, por consiguiente, es un corto circuito para la región de conducción.

Si consideramos la región del potencial aplicado negativamente,

Donde VR es el voltaje de polarización inverso a través del diodo e IR es la corriente inversa en el diodo. El diodo, en consecuencia, es un circuito abierto en la región en la que no hay conducción.

DIODO ZENER

La corriente en la región Zener tiene una dirección opuesta a la de un diodo polarizado directamente. El diodo Zener es un diodo que ha sido diseñado para trabajar en la región Zener.

Figura N°02

De acuerdo con la definición, se puede decir que el diodo Zener ha sido diseñado para trabajar con voltajes negativos (con respecto a él mismo). Es importante mencionar que la región Zener (en un diodo Zener) se controla o se manipula variando los niveles de dopado. Un incremento en el número de impurezas agregadas, disminuye el potencial o el voltaje de Zener VZ.

Así, se obtienen diodos Zener con potenciales o voltajes de Zener desde -1.8 V a -200 V y potencias de 1/4 a 50 W. El diodo Zener se puede ver como un dispositivo el cual cuando ha alcanzado su potencial VZ se comporta como un corto. Es un "switch" o interruptor que se activa con VZ volts. Se aplica en reguladores de voltaje o en fuentes.

Figura N°03

En el circuito que se muestra en la figura N°03, se desea proteger la carga contra sobre voltajes, el máximo voltaje que la carga puede soportar es 4.8 volts. Si se elige un diodo Zener cuyo VZ sea 4.8 volts, entonces este se activará cuando el voltaje en la carga sea 4.8 volts, protegiéndola de esta manera.

De acuerdo a otras consideraciones, el funcionamiento de este diodo, a grandes rasgos es la siguiente:

En la zona directa lo podemos considerar como un generador de tensión continua (tensión de codo). En la zona de disrupción, entre la tensión de codo y la tensión zener (Vz nom) lo podemos considerar un circuito abierto. Cuando trabaja en la zona de disrupción se puede considerar como un generador de tensión de valor Vf= -Vz.

El zener se usa principalmente en la estabilidad de tensión trabajando en la zona de disrupción.

Podemos distinguir:

En la gráfica N°01, se puede observar la curva característica de este tipo de diodo.

Gráfica N°01

Cuando usamos un diodo zener en un circuito se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones (a partir de las hojas de características suministradas por el fabricante):

EL DIODO EMISOR DE LUZ (LED)

El LED es un diodo que produce luz visible (o invisible, infrarroja) cuando se encuentra polarizado. El voltaje de polarización de un LED varía desde 1.8 V hasta 2.5 V, y la corriente necesaria para que emita la luz va desde 8 mA hasta los 20 mA.

Principio de Funcionamiento:

En cualquier unión P-N polarizada directamente, dentro de la estructura y principalmente cerca de la unión, ocurre una recombinación de huecos y electrones (al paso de la corriente). Esta recombinación requiere que la energía que posee un electrón libre no ligado se transfiera a otro estado. En todas las uniones P-N una parte de esta energía se convierte en calor y otro tanto en fotones. En el Si y el Ge el mayor porcentaje se transforma en calor y la luz emitida es insignificante. Por esta razón se utiliza otro tipo de materiales para fabricar los LED's, como Fosfuro Arseniuro de de Galio (GaAsP) o fosfuro de Galio (GaP).

Figura N°03

Los diodos emisores de luz se pueden conseguir en colores: verde, rojo, amarillo, ámbar, azul y algunos otros.

Hay que tener en cuenta que las características obtenidas de las hojas de especificaciones pueden ser distintas para los diodos (p. e. 1N4001) aunque ambos hayan sido producidos en el mismo lote. También hay que tener en cuenta otro tipo de tolerancias como los resistores, uno marcado de 100W puede ser realmente de 98W o de 102W o tal vez si ser exacto, y una fuente "ajustada" a 10V puede estar ajustada realmente a 9.9V o a 10.1V o tal vez a 10V.

De acuerdo a otras consideraciones, El diodo LED presenta un comportamiento análogo al diodo rectificador (diodo semiconductor p-n), sin embargo, su tensión de codo tiene un valor mayor, normalmente entre 1.2-1.5 V. Según el material y la tecnología de fabricación estos diodos pueden emitir en el infrarrojo (diodos IRED), rojo, azul, amarillo y verde, dependiendo de cual sea la longitud de onda en torno a la cual emita el LED.

Entre sus aplicaciones podemos destacar: pilotos de señalización, instrumentación, optoaclopadores, etc.

Resulta difícil distinguir, por pura inspección visual, el modelo del LED así como el fabricante: los valores máximos de tensión y corriente que puede soportar y que suministra el fabricante serán por lo general desconocidos. Por esto, cuando se utilice un diodo LED en un circuito, se recomienda que la intensidad que lo atraviese no supere los 20 mA, precaución de carácter general que resulta muy válida. En la figura N°04, se muestra el símbolo electrónico de este tipo de diodo.

Figura N°04

El diodo LED puede ser tratado de manera análoga a un diodo normal. sin embargo conviene tener en cuenta que los diodos LED no están fabricados de silicio monocristalino, ya que el silicio monocristalino es incapaz de emitir fotones. Debido a ello, la tensión de polarización directa Vd depende del material con el que esté fabricado el diodo.

El material que compone el diodo LED, es importante ya que el color de la luz emitida por el LED depende únicamente del material y del proceso de fabricación principalmente de los dopados.

En la tabla adjunta aparecen algunos ejemplos de materiales utilizados junto con los colores conseguidos:

FOTODIODOS

Los fotodiodos. Son diodos sensibles a la luz. Generan un voltaje de corriente continua proporcional a la cantidad de luz que incide sobre su superficie, es decir, son diodos de unión PN cuyas características eléctricas dependen de la cantidad de luz que incide sobre la unión. Se utilizan como medidores y sensores de luz y en receptores ópticos de comunicaciones.

Representación gráfica de un Fotodiodo y su correspondientes curvas características

El efecto fundamental bajo el cual opera un fotodiodo es la generación de pares electrón - hueco debido a la energía luminosa. Este hecho es lo que le diferencia del diodo rectificador de silicio en el que, solamente existe generación térmica de portadores de carga. La generación luminosa, tiene una mayor incidencia en los portadores minoritarios, que son los responsables de que el diodo conduzca ligeramente en inversa.

El comportamiento del fotodiodo en inversa se ve claramente influenciado por la incidencia de luz. Conviene recordar que el diodo real presenta unas pequeñas corrientes de fugas de valor IS. Las corrientes de fugas son debidas a los portadores minoritarios, electrones en la zona P y huecos en la zona N. La generación de portadores debido a la luz provoca un aumento sustancial de portadores minoritarios, lo que se traduce en un aumento de la corriente de fuga en inversa tal y como se ve en la figura anterior.

El comportamiento del fotodiodo en directa apenas se ve alterado por la generación luminosa de portadores. Esto es debido a que los portadores provenientes del dopado (portadores mayoritarios) son mucho más numerosos que los portadores de generación luminosa.

Corte transversal de un fotodiodo comercial

DIODOS DE EFECTO TUNEL

Los diodos de efecto túnel. Son dispositivos muy versátiles que pueden operar como detectores, amplificadores y osciladores. Poseen una región de juntura extremadamente delgada que permite a los portadores cruzar con muy bajos voltajes de polarización directa y tienen una resistencia negativa, esto es, la corriente disminuye a medida que aumenta el voltaje aplicado.

Representación gráfica de un diodo TUNEL y su correspondiente gráfica

LOS VARACTORES

Son diodos de silicio perfeccionados para operar con capacitancia variable, que se utilizan como sintonizadores en sistemas de comunicaciones, especialmente en FM.

A máxima capacitancia del varactor se presenta con voltajes de polarización cero, cuando la capa de agotamiento es más delgada. Cuanto más alto es el voltaje inverso aplicado, más estrecha es la capa de agotamiento y por lo tanto, la capacitancia disminuye. Estos diodos también reciben el nombre de diodos Varicap.

El símbolo del diodo varactor se muestra abajo con una representación del diagrama.

Cuando un voltaje inverso es aplicado a la junción PN, los agujeros en la región P se atraen a la terminal del ánodo y los electrones en la región N se atraen a la terminal del cátodo, creando una región de poca corriente. Esta es la región de agotamiento, son esencialmente desprovistos de portadores y se comportan como el dieléctrico de un condensador.

La región de agotamiento aumenta mientras que el voltaje inverso aplicado a él aumenta; y puesto que la capacitancia varía inversamente con el espesor dieléctrico, la capacitancia de la juntura disminuirá cuando el voltaje aplicado a la juntura PN aumenta. En la gráfica, se observa la variación de la capacidad con respecto al voltaje.

En la gráfica se puede observar el aumento no lineal en la capacitancia cuando se disminuye el voltaje inverso. Esta no linealidad, permite que el varactor sea utilizado también como generador armónico.

Las consideraciones importantes del varactor son:

LOS DIODOS VARISTOR

O supresor de transientes, es un dispositivo semiconductor utilizado para absorber picos de alto voltaje desarrollados en las redes de alimentación eléctrica. Cuando aparece un transitorio, el varistor cambia su resistencia de un valor alto a otro valor muy bajo. El transitorio es absorbido por el varistor, protegiendo de esa manera los componentes sensibles del circuito. Los varistors se fabrican con un material no-homogéneo.(Carburo de silicio).

CARACTERISTICAS:

Máximo impulso de corriente no repetitiva

• El pico máximo de corriente permitido a través del varistor depende de la forma del impulso, del duty cycle y del número de pulsos.

• Con el fin de caracterizar la capacidad del varistor para resistir impulsos de corriente, se permite generalmente que garantice un `máximo impulso de corriente no repetitiva'. Este viene dado por un impulso caracterizado por la forma del impulso de corriente desde 8 microsegundos a 20 microsegundos siguiendo la norma “IEC 60-2”, con tal que la amplitud del voltaje del varistor medido a 1 mA no lo hace cambiar más del 10% como máximo.

• Un impulso mayor que el especificado puede ocasionar cortocircuitos o ruptura del propio componente; se recomienda por lo tanto instalar un fusible en el circuito que utiliza el varistor, o utilizar una caja protectora.

• Si se aplica más de un de impulso o el impulso es de una duración mas larga, habría que estudiar las curvas que al efecto nos proporcionan los fabricantes, estas curvas garantizan la máxima variación de voltaje (10%) en el varistor con 1 mA.

Energía máxima

Durante la aplicación de un impulso de corriente, una determinada energía será disipada por el varistor. La cantidad de la energía de disipación es una función de:

A fin de calcular la energía disipada durante un impulso, se hace con la referencia generalmente a una onda normalizada de la corriente. Esta onda esta prescrita por la norma “IEC 60-2 secciona 6” tiene una forma que aumenta desde cero al valor de pico en un el tiempo corto, disminuyendo hasta cero o de una manera exponencial, o bien sinusoidal.

Esta curva es definida por el tiempo principal virtual (t1) y el tiempo virtual al valor medio (t2)

DIODO SCHOTTKY (DIODO DE BARRERA)

Los diodos Schottky. Son dispositivos que tienen una caída de voltaje directa (VF) muy pequeña, del orden de 0.3 V o menos. Operan a muy altas velocidades y se utilizan en fuentes de potencia, circuitos de alta frecuencia y sistemas digitales. Reciben también el nombre de diodos de recuperación rápida (Fast recovery) o de portadores calientes.

Cuando se realiza una ensambladura entre una terminal metálica se hace un material semiconductor, el contacto tiene, típicamente, un comportamiento óhmico, cualquiera, la resistencia del contacto gobierna la secuencia de la corriente. Cuando este contacto se hace entre un metal y una región semiconductora con la densidad del dopante relativamente baja, las hojas dominantes del efecto debe ser el resistivo, comenzando también a tener un efecto de rectificación. Un diodo Schottky, se forma colocando una película metálica en contacto directo con un semiconductor, según lo indicado en la figura N°05. El metal se deposita generalmente en un tipo de material N, debido a la movilidad más grande de los portadores en este tipo de material. La parte metálica será el ánodo y el semiconductor, el cátodo.

En una deposición de aluminio
(3 electrones en la capa de valencia), los electrones del semiconductor tipo N migran hacía el metal, creando una región de transición en la ensambladura.

Se puede observar que solamente los electrones (los portadores mayoritarios de ambos materiales) están en tránsito. Su conmutación es mucho más rápida que la de los diodos bipolares, una vez que no existan cargas en la región tipo N, siendo necesaria rehacer la barrera de potencial (típicamente de 0,3V). La Región N tiene un dopaje relativamente alto, a fin de reducir la pérdida de conducción, por esto, la tensión máxima soportable para este tipo de diodo está alrededor de los 100V.

La principal aplicación de este tipo de diodos, se realiza en fuentes de baja tensión, en las cuales las caídas en los rectificadores son significativas.

Figura N°05 (Diodo Schottky construido a través de la técnica de CIs.)

Curva característica de un diodo SCHOTTKY

EL DIODO LASER

Los diodos láser son constructivamente diferentes a los diodos LED normales. Las características de un diodo láser son:

Corte esquemático de la emisión de luz en diodos LED y láser

Intensidad de luz en función de la longitud de onda para diodos LED y láser

Debido a estas dos propiedades, con el láser se pueden conseguir rayos de luz monocromática dirigidos en una dirección determinada. Como además también puede controlarse la potencia emitida, el láser resulta un dispositivo ideal para aquellas operaciones en las que sea necesario entregar energía con precisión.

Ejemplo de aplicación: El lector de discos compactos:

Una de las muchas aplicaciones de los diodos láser es la de lectura de información digital de soportes de datos tipo CD-ROM o la reproducción de discos compactos musicales. El principio de operación de uno y otro es idéntico.

Esquema del funcionamiento del CD-ROM

Un haz láser es guiado mediante lentes hasta la superficie del CD. A efectos prácticos, se puede suponer dicha superficie formada por zonas reflectantes y zonas absorbentes de luz. Al incidir el haz láser en una zona reflectante, la luz será guiada hasta un detector de luz: el sistema ha detectado un uno digital. Si el haz no es reflejado, al detector no le llega ninguna luz: el sistema ha detectado un cero digital.

Un conjunto de unos y ceros es una información digital, que puede ser convertida en información analógica en un convertidor digital-analógico. Pero esa es otra historia que debe de ser contada en otra ocasión.

SIMBOLOGÍA

Gráfica Simbología Tipos de Diodos

Bibliografía

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