Diodo

Diodo
Tipos de diodos, desde abajo: Puente Graetz , Zener y unión pn de varias potencias
Tipopasivo
símbolo eléctrico
Configuración de pinesÁnodo y cátodo
Ver: componente electrónico

El diodo es un componente electrónico pasivo no lineal de dos terminales ( bipolo ), cuya función ideal es permitir el paso de la corriente eléctrica en un sentido y bloquearla casi por completo en el otro (en cambio se aprovechan otras características en el caso de Diodos Zener , diodo de túnel o pin, diodo de tunelización resonante de diodo varicap).

A partir de esta estructura inicial , han evolucionado con el tiempo tanto componentes con una estructura más compleja basada en un principio diferente, como los diodos de tiempo de tránsito, como nuevos dispositivos de tres terminales, como los SCR y los triac , que han abandonado el nombre de diodo.

Historia

Las dos formas principales, la válvula termoiónica y el dispositivo semiconductor , sufrieron un desarrollo paralelo.

En 1873, el físico británico Frederick Guthrie ilustró el principio de funcionamiento del diodo termoiónico. En 1880 Edison tropezó de forma independiente con el efecto termoiónico (tanto que también se le llama efecto Edison ) mientras trabajaba en el perfeccionamiento de la lámpara incandescente , tratando de entender el motivo de la rotura de los filamentos. Descubrió que una corriente invisible fluía desde el filamento hasta una placa de metal insertada en la bombilla cuando estaba conectada al polo positivo. Lo patentó unos años más tarde, sin indicar sin embargo un uso concreto. [1]

Veinte años después, el británico John Ambrose Fleming , que colaboraba con la Marconi Company pero había sido empleado de Edison, se dio cuenta de que el efecto Edison podía utilizarse como detector de radiofrecuencia de precisión y patentó el primer diodo termoiónico, el "Fleming", en noviembre. 1904. [2] Solo dos años después, Lee De Forest inventó el triodo .

En cuanto al diodo de estado sólido, ya en 1874 el alemán Karl Ferdinand Braun , al experimentar con contactos entre metales y cristales (como la galena y la pirolusita ), descubrió la capacidad de estas uniones para hacer que la corriente fluya en una sola dirección.

En 1897, el indio Jagadish Chandra Bose fue el primero en presentar un aparato que utilizaba un detector de galena de radio. [3]

Diodo ideal

En muchas aplicaciones de interés, la característica tensión-corriente de un diodo ideal , obtenida en condiciones estáticas, se puede aproximar con una función lineal por partes. En esta aproximación, la corriente se puede considerar nula si el voltaje entre el ánodo y el cátodo es menor o igual a un valor de voltaje preciso V γ (umbral o voltaje de codo); si por el contrario la tensión es mayor, el diodo puede aproximarse a un generador de tensión de valor V γ , cuya corriente viene impuesta por el circuito al que está sometido. El valor de V γ es un valor de tensión tal que la corriente real es mayor que una corriente muy específica útil para el análisis del circuito y, en general, se acostumbra utilizar el valor convencional de 0,6 V capaz de caracterizar con suficiente precisión la caída de voltaje a través de un diodo de silicio cuando fluyen corrientes significativas a través de él.

Cuando los valores de los voltajes del circuito son lo suficientemente altos (decenas, cientos de V y más), como para considerar despreciable la caída de voltaje V γ a través del diodo, comúnmente se adopta una aproximación aún más fuerte usando un diodo ideal que en conducción. es comparable a un cortocircuito. Esta aproximación permite simplificar aún más el análisis del circuito prácticamente sin errores significativos.

Cuando la diferencia de potencial a través del diodo ideal es mayor que 0 (es decir, cuando la corriente eléctrica fluye en la dirección positiva convencional, del ánodo al cátodo), se dice que el diodo está en una condición de polarización directa. Mientras que, cuando la diferencia de potencial es negativa, se dice que está inversamente sesgada . Estas definiciones también se utilizan para identificar las regiones operativas de los diodos reales.

Diodo de corriente continua

Cuando una corriente continua pasa a través del diodo, se puede rastrear hasta una resistencia o un generador de voltaje dependiendo de la polarización. Los valores de resistencia obviamente los define el fabricante, así como el voltaje del generador.

diodo AC

El diodo atravesado por la corriente alterna solo deja pasar la media onda positiva (si está directamente polarizada) de la sinusoide y bloquea la media onda negativa. Con la configuración de diodo puente de Graetz se genera una onda rectificada formada únicamente por medias ondas positivas y por lo tanto se le llama rectificador de onda sinusoidal, formando una onda pulsante.

Diodo de unión

Los diodos de unión pn son diodos fabricados por procesos metalúrgicos que prevén la difusión de impurezas de tipo aceptor en cristales de silicio previamente dopados por átomos donantes (o viceversa) y su tensión corriente característica puede aproximarse mediante la ecuación del diodo ideal de Shockley . La característica de voltaje actual del dispositivo es una función no lineal; para valores de polarización suficientemente grandes con respecto a la tensión térmica (a temperatura ambiente 26mV) se cumple la relación:

donde I es la intensidad de corriente, I 0 indica la corriente de saturación inversa , V D es el voltaje aplicado a través del diodo y V T el voltaje térmico .

El diodo, directamente polarizado, comienza a conducir una vez que el voltaje aplicado excede el voltaje de umbral ; este varía según el tipo de material con el que esté hecho el diodo y vale unos 0,6 V en los diodos de silicio; cuando este diodo es conductor en los cálculos es mejor utilizar el valor aproximado de 0,7 V.

Siempre es necesario limitar la corriente conducida por un diodo para que nunca exceda la corriente máxima prevista para ese diodo específico , más allá de la cual puede ocurrir la falla física del dispositivo.

Los diodos de unión pn reales tienen una corriente de tensión característica similar a la ideal, con algunas diferencias: cuando se polarizan inversamente, en lugar de impedir completamente el paso de corriente, son atravesados ​​por la corriente de saturación inversa, cuyo valor está relacionado con el área del dispositivo. y concentraciones de dopantes. A medida que el módulo de voltaje inverso aumenta hasta cierto valor (llamado voltaje Zener , como se puede ver en el tercer y cuarto cuadrante de la característica del diodo real en el lateral), que puede variar desde unos pocos voltios hasta unas pocas decenas de voltios, la corriente aumenta en módulo muy rápidamente: este régimen de funcionamiento, llamado tensión de ruptura por el modo de generación de electrones de conducción en el interior del diodo, no es perjudicial para el componente siempre que la potencia disipada se mantenga dentro de los límites tolerados: diodos Zener , por ejemplo , están expresamente diseñados para operar en tensión de ruptura o tensión Zener. Sin embargo, debido a la característica de gran pendiente, la operación de ruptura en diodos normales es muy peligrosa y generalmente conduce a fallas en los componentes.

diodo de germanio

El diodo de germanio consta de una unión semiconductora hecha con germanio ; tiene un voltaje de umbral más bajo (típicamente 0,3 V) que lo hace particularmente adecuado para la detección de señales de radio (demodulador o detector para modulación de amplitud).

Diodo Schottky

El diodo Schottky consta de una barrera rectificadora de metal-semiconductor en lugar de una unión de semiconductores . La barrera rectificadora metal-semiconductor se obtiene depositando un metal (generalmente aluminio ) sobre un material semiconductor , que puede ser de tipo P o N mediante sistemas de metalizado o evaporación. En este tipo de uniones los electrones , que son los portadores mayoritarios, tienen un tiempo de vida extremadamente bajo debido al metal presente en la barrera rectificadora, esta peculiaridad permite un tiempo de conmutación (paso de la zona de conducción a la zona de interdicción) extremadamente bajo. bajo aún más bajo al orden nuestro La característica corriente-voltaje es la misma que para los diodos de silicio, pero el umbral de tensión típico es de 0,35 V en lugar de 0,6 V. Entre sus aplicaciones más comunes está su uso como rectificador en fuentes de alimentación conmutadas y dispositivos que utilizan transistores Schottky , como como una serie de puertas lógicas TTL .

Diodo varicap o varactor

Durante la polarización inversa, la carga eléctrica se acumula en los dos lados de la zona de unión, en la que se crea un fuerte campo eléctrico que da lugar a una cierta capacidad parásita : en la práctica, el diodo se comporta como si estuviera en paralelo con un pequeño condensador . La peculiaridad que hace interesante esta pequeña capacitancia del diodo es que disminuye a medida que aumenta la tensión inversa.

Los diodos Varicap están diseñados específicamente para explotar este fenómeno y se comportan como capacitores variables controlados por voltaje: la capacitancia máxima es de aproximadamente 500 pF en los modelos más grandes, pero puede bajar a 1pF. La ley de dependencia de voltaje-capacitancia de los diodos varicap no es lineal, sino que se linealiza en combinación con un inductor en un circuito LC como el opuesto, haciendo que la frecuencia resonante del circuito sea proporcional al voltaje de control V c .

Las aplicaciones de los diodos varicap son en general en las etapas de sintonía de los receptores de radio y en los osciladores controlados por voltaje (VCO).

Diodo Zener

El diodo Zener está construido específicamente para aprovechar la operación del diodo en polarización inversa. De hecho, es un diodo construido de acuerdo con características particulares para disipar energía con el uso en la zona de ruptura. En este estado, el voltaje a través del diodo permanece aproximadamente constante a medida que varía la corriente, por lo tanto, el diodo puede proporcionar un voltaje de referencia relativamente constante: el Zener es un diodo optimizado para este uso, en el que el voltaje Zener se hace lo más insensible posible. a la corriente de avalancha, incluso si en cualquier caso una tensión inversa excesiva provoca la rotura del diodo. El motivo de la alta pendiente de la corriente inversa se debe principalmente a dos casos: el efecto avalancha y el efecto Zener .

El aumento del voltaje inverso provoca una aceleración de los electrones que, al aumentar su energía, ionizan la red cristalina (avalancha); pero también pueden romper enlaces covalentes para extraer electrones (Zener). Estos dos efectos compensan una tensión aproximadamente igual a 6 V (según el diodo Zener utilizado se pueden obtener tensiones diferentes). Por encima de 6 V prevalece el efecto avalancha, bajo el efecto Zener.

Sin embargo, por mínima que sea, la dependencia de la corriente siempre está presente, y peor aún, la tensión Zener varía significativamente con la temperatura ambiente: por esta razón, los Zener se utilizan sobre todo para generar tensiones de polarización y estabilización de fuentes de alimentación y no como muestras de Voltaje. Dado que los diodos Zener se utilizan en polarización inversa, existe un efecto capacitivo asociado a la zona de agotamiento cerca de la unión, esta capacitancia llamada transición varía entre valores despreciables de algunos nF y es relevante para diodos de alta potencia ya que condiciona el trabajo máximo. frecuencia.

LED

Color Tensión directa
Infrarrojo 1,3 V
Rojo 1,8 voltios
Amarillo 1,9 V
Naranja 2,0 V
Verde 2,0 V
Azul claro 3,0 V
Azul 3,5 V
Ultravioleta 4,0-4,5 V

Estos diodos emiten luz visible cuando se polarizan directamente: se suelen utilizar para señalización en paneles de control y como luces indicadoras, o como transmisores para controles remotos y fibras ópticas. Desde principios de la década de 2000 se han desarrollado modelos de alta luminosidad aptos para la luminotecnia, y hoy en día existen en el mercado numerosos dispositivos de iluminación que utilizan LED como fuente como alternativa a las tradicionales lámparas incandescentes y fluorescentes, con considerables ventajas en términos energéticos. ahorro, durabilidad y reproducción cromática. Su voltaje de polarización directa varía según la longitud de onda de la luz que emiten, y emiten más luz cuanto más corriente pasa por ellos: generalmente se requiere una corriente mínima de 4mA (corriente umbral) para que emitan luz en cantidad perceptible. Cabe destacar que los LED no emiten luz blanca, por lo que la luz blanca se obtiene de la unión de varios LED de diferentes colores.

La corriente varía según el tipo de LED utilizado. Los LED normales requieren un promedio de 15 mA para emitir un buen brillo. En el caso de LED HL (alto brillo) la corriente sube hasta valores de unos 20-25mA. Los LED de nuevo concepto, con un brillo muy alto, son capaces de absorber corrientes de muchos amperios. Para disipar el calor producido, deben montarse sobre un disipador adecuado, que también puede ser de aire forzado.

Diodo láser

Al igual que los diodos LED, los diodos láser también emiten luz mediante la recombinación de electrones y huecos en la zona de barrera del diodo: la diferencia fundamental es que esta emisión es estimulada por la propia luz, y que la luz emitida es coherente.

Esto se logra con una estructura de diodo sándwich con tres zonas dopadas de manera diferente (n - p - p +) que también tienen un índice de refracción óptica diferente : en la práctica, las zonas límite np y p-p + se comportan como dos espejos que reflejan la luz emitida en el diodo y confinarlo dentro. De esta forma los fotones que viajan en el diodo estimulan a los electrones y los huecos de los átomos semiconductores a recombinarse emitiendo otro fotón con la misma longitud de onda y la misma fase que el incidente, es decir estimulan una emisión coherente.

Normalmente los diodos láser están hechos de arseniuro de galio y aluminio , para obtener una diferencia de índices de refracción entre las tres zonas lo más alta posible. La emisión del láser se establece polarizando el diodo llevándolo a conducción directa, sólo cuando se supera un umbral de corriente que varía según los modelos de 20 a 30 mA.

Diodo de túnel

Inventado en 1957 por Leo Esaki en los laboratorios de Tokyo Tsushin Kogyo, ahora llamado Sony , en este diodo el dopaje de los dos semiconductores pn es tan fuerte que degenera en dos conductores separados por una barrera de potencial extremadamente alta y estrecha. En estas condiciones, sin embargo, algunos electrones aún pueden pasar, a través del fenómeno cuántico del efecto túnel , cuando el dispositivo está polarizado con un voltaje continuo pero aún insuficiente para llevar el diodo a un régimen de conducción clásico: al aumentar el voltaje, la corriente del túnel "aumenta, luego disminuye hasta un mínimo (en este intervalo el diodo tiene una resistencia negativa), más allá del cual el mecanismo de conducción térmica del diodo normal se hace cargo y la corriente comienza a aumentar nuevamente.

Esta característica de pendiente negativa permite que el diodo transfiera energía a las señales que lo atraviesan: los usos típicos de los diodos de túnel se encuentran en el rango de microondas de 30 MHz a 300 GHz en circuitos de baja potencia como osciladores locales y PLL de microondas . La velocidad de conmutación y de los flancos ascendentes y descendentes en tensiones por debajo de 50 mV sigue siendo inalcanzable con las tecnologías de conmutación de transistores.

El uso civil más extendido del componente es en instrumentación de medida y en particular en la etapa de disparo de osciloscopios profesionales y generadores de impulsos, donde se han utilizado millones de unidades.

Diodo hacia atrás

En este diodo de túnel en particular, uno de los dos semiconductores está menos dopado y está en el límite del caso degenerado: esto hace que el diodo inverso (llamado de muchas maneras, incluido el diodo trasero ) se comporte como un diodo normal si está polarizado directamente, pero conduce incluso si está inversamente polarizado; de hecho, el diodo inverso (de ahí el nombre) conduce mucho mejor en polarización inversa que en polarización directa. Su uso principal es en la detección de pequeñas señales, o como mezclador.

Diodo PiN

El diodo PiN es un dispositivo electrónico que pertenece a la categoría de dispositivos electrónicos de potencia. Los nombres comúnmente usados ​​para el mismo componente son: diodo de potencia y diodo P-ν-N . El diodo PiN se caracteriza por su capacidad para soportar altos voltajes inversos (> 50 V) y generalmente es capaz de conducir altas corrientes directas (> 1 A).

La estructura del diodo PiN tiene una región muy gruesa, no dopada o muy débilmente dopada, dicha región intrínseca está indicada por i en el código del dispositivo, e interpuesta entre las dos zonas P y N, de ahí el nombre; esta región intrínseca es necesaria para aumentar la tensión de ruptura . En principio, la región intrínseca, al estar ligeramente dopada, debería oponer una fuerte resistencia al paso de corriente que inutilizaría el diodo. Este no es el caso, sin embargo, porque durante la fase de conducción directa las regiones P y N inyectan portadores de carga ( huecos y electrones , respectivamente) que reducen en gran medida la resistencia de la región intrínseca.

Las características peculiares que diferencian el diodo PiN del diodo de unión PN (también llamado diodo de señal para distinguirlo del diodo de potencia) son los fenómenos de recuperación inversa y recuperación directa. Este tipo de diodo se utiliza en circuitos que trabajan a altas tensiones como la red eléctrica, generadores EAT para ánodos aceleradores en tubos de rayos catódicos, donde gestionan cantidades importantes de energía. También se utilizan en las primeras etapas de RF de los receptores de radio profesionales como atenuadores de señal, posiblemente formando parte de un circuito de ganancia automática (CAG).

Diodos de tiempo de tránsito

Estos dispositivos se denominan impropiamente diodos, porque no se basan (o no principalmente) en el efecto barrera y no tienen la estructura pn de los diodos, sino que están formados por tres o más zonas con varios dopajes a varias intensidades; están construidos sobre semiconductores compuestos, generalmente fosfuro de indio o arseniuro de galio .

Diodo IMPATT

IMPATT son las siglas de IMP act ionization Avalanche T ransit T ime . Este diodo tiene una estructura compleja (n + - p - i - p +) y, como su nombre lo indica, funciona en polarización inversa utilizando el efecto de avalancha. Más precisamente, está polarizado muy cerca de su voltaje Zener, generalmente alrededor de cien voltios, y encerrado en una cavidad resonante en el rango de microondas: la aparición del efecto de avalancha en el diodo provoca un pulso de radio que se refleja en la cavidad y modula el paso posterior de cargas a través del diodo.

El movimiento desordenado de las portadoras en el efecto avalancha genera un altísimo ruido de fondo que se suma a la señal útil, limitando el campo de uso únicamente a fuentes de energía de microondas en el rango de hasta 300 GHz, con una eficiencia del 30% a 10 GHz que decrece con la frecuencia, en la que los IMPATT se comportan muy bien.

diodo TRAPATT

TRAPATT son las siglas de TRA pped P lasma Avalanche T ransit T ime . Son diodos IMPATT particulares, en los que la cavidad resonante se obtiene directamente en el diodo: los campos electromagnéticos dentro de la región de avalancha son por lo tanto tan intensos como para hablar de un plasma de electrones y huecos dentro de la región intrínseca.

Estos diodos son capaces de superar las limitaciones de frecuencia de los IMPATT normales, generando frecuencias de hasta 1000 GHz, en el límite del espectro infrarrojo.

Diodo BARITT

BARITT significa BAR rier I njection T ransit T ime. Es un derivado del diodo IMPATT, de estructura (p+ - n - n+ - n - p+), que ofrece una menor eficiencia y potencia, pero también un menor nivel de ruido generado, ya que su funcionamiento se basa en la tiempo de tránsito de la carga de los portadores a través de una barrera y no sobre el efecto avalancha: el diodo BARITT trabaja en polarización directa.

Gracias al menor ruido ya la mayor estabilidad de la frecuencia generada, los BARITT se utilizan en osciladores locales y detectores de microondas Doppler.

Fotodiodo

El propósito de los fotodiodos es detectar la radiación de luz (visible o infrarroja) que incide en el cuerpo del diodo. La estructura interna de un fotodiodo es muy similar a la de los diodos PIN: la zona intrínseca está diseñada para reaccionar a la luz generando un par de portadores (un electrón y un hueco) que contribuyen al paso de corriente a través del diodo. Se utilizan en polarización inversa: en esta condición, la corriente que circula por el diodo se debe (casi) exclusivamente a la luz incidente, y es proporcional a la intensidad de la luz.

Superdiodo (o rectificador de precisión )

A diferencia de los anteriores, este no es un componente simple sino un circuito compuesto por un diodo y un amplificador operacional : en la práctica, el operacional amplifica el estado de conducción del diodo. El circuito como un todo, por lo tanto, se comporta casi como un diodo ideal con un voltaje de polarización directa muy bajo, cercano a 0 V.

Este circuito se utiliza en rectificadores de precisión, en circuitos para medidas eléctricas y en aquellos casos donde la señal a rectificar tiene una amplitud inferior a los 0,7 voltios que representan el umbral de conducción de los diodos normales. Sin embargo, no se utiliza en aparatos de radio, debido a las limitaciones de los amplificadores operacionales de alta frecuencia.

Polaridad

En la mayoría de los paquetes de diodos , el pin o conductor conectado al cátodo se indica con una raya. Algunas excepciones son los diodos empaquetados muy pequeños (como el SOT-23 ) y los diodos de potencia empaquetados, como el TO-220, en los que a veces se imprime el símbolo completo.

En el símbolo gráfico de los esquemas de circuitos, el triángulo indica el sentido convencional de la corriente continua que circula por el diodo, por lo que el ánodo está representado por el lado del triángulo y el cátodo por la barra.

Notas

  1. ^ V. Cantoni et al., 2011 , p.416 .
  2. ^ Jed Margolin, Camino al transistor , en jmargolin.com . Consultado el 19 de noviembre de 2012 .
  3. ^ V. Cantoni et al., 2011 , p.28 .

Bibliografía

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