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• Luis Edison Toca

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DIODOS 1. INTRODUCCIÓN El diodo es un dispositivo de dos terminales que, en una situación ideal, se comporta como un interruptor común con la condición especial de que solo puede conducir en una dirección. Tiene un estado encendido, el que en teoría parece ser simplemente un circuito cerrado entre sus terminales, y un estado apagado, en el que sus características terminales son similares a las de un circuito abierto. Cuando el voltaje tiene valores positivos de V D (V D > 0 V) el diodo se encuentra en el estado de circuito cerrado (R= 0 Ω) y la corriente que circula a través de este esta limitada por la red en la que este instalado el dispositivo. Para la polaridad opuesta (V D < 0 V), el diodo se encuentra en el estado de circuito abierto (R= ∞ Ω) e I D = 0 mA. El diodo ideal presenta la propiedad de ser unidireccional, esto es, si se aplica un voltaje con polaridad determinada, el diodo permite el flujo de corriente con resistencia despreciable y con un voltaje de polaridad opuesta no permitirá el paso de corriente. En la construcción del diodo semiconductor. Se colocan dos materiales semiconductores con contenido de carga opuesta uno al lado del otro. Un material es semiconductor como silicio o germanio excesivamente cargado de partículas negativas (electrones). El otro material es del mismo tipo semiconductor con la diferencia de que este tiene la ausencia de cargas negativas Cuando se aplica un voltaje de paralización directa (voltaje de corriente directa) la región iónica en la unión se reduce y los portadores negativos en el material tipo n pueden superar la barrera negativa restante iones positivos y continuar su camino hasta el potencial aplicado. 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.

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TIPOS DE DIODO



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 constructivas que los diferencian de otros.

características

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 anillo 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 María José Avilés Conde

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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. Cuando se somete al diodo a una diferencia de tensión externa, se dice que el diodo está polarizado, pudiendo ser la polarización directa o inversa. 1.1.

TIPOS DE DIODOS DE ESTADO SÓLIDO

Un diodo es un dispositivo que permite el paso de la corriente eléctrica en una única dirección. Otro uso que tiene el diodo es como fusible, puesto que cuando llega una descarga el diodo no deja pasar la corriente y no se dañan los aparatos eléctricos, es por eso que casi todos los aparatos lo tienen con ese fin. De forma simplificada, la curva característica de un diodo (IV) consta de dos regiones, por debajo de cierta diferencia de potencial, se comporta como un circuito abierto (no conduce), y por encima de ella como un circuito cerrado con muy pequeña resistencia eléctrica. Debido a este comportamiento, se les suele denominar rectificadores, ya que son dispositivos capaces de convertir una corriente alterna en corriente continua. DIODO DE ALTO VACÍO Válvula de vacío Los primeros diodos eran válvulas grandes en chips o tubos de vacío, también llamadas válvulas termoiónicas constituidas por dos electrodos rodeados de vacío en un tubo de cristal, con un aspecto similar al de las lámparas incandescentes. El invento fue realizado en 1904 por John Ambrose Fleming, de la empresa Marconi, basándose en observaciones realizadas por Thomas Alva Edison. Al igual que las lámparas incandescentes, los tubos de vacío tienen un filamento (el cátodo) a través del que circula la corriente, calentándolo por efecto Joule. El filamento está tratado con óxido de bario, de modo que al calentarse emite electrones al vacío circundante; electrones que son conducidos electrostáticamente hacia una placa metálica cargada positivamente (el ánodo), produciéndose así la conducción. María José Avilés Conde

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Evidentemente, si el cátodo no se calienta, no podrá ceder electrones. Por esa razón los circuitos que utilizaban válvulas de vacío requerían un tiempo para que las válvulas se calentaran antes de poder funcionar y las válvulas se quemaban con mucha facilidad Tipos de válvula diodo   

Diodo de alto vacío Diodo de gas Rectificador de mercurio

DIODO PN Ó UNIÓN PN Los diodos pn son uniones de dos materiales semiconductores extrínsecos tipos p y n, por lo que también reciben la denominación de unión pn. Hay que destacar que ninguno de los dos cristales por separado tiene carga eléctrica, ya que en cada cristal, el número de electrones y protones es el mismo, de lo que podemos decir que los dos cristales, tanto el p como el n, son neutros. (Su carga neta es 0). Al unir ambos cristales, se manifiesta electrones del cristal n al p (J e).

una

difusión

de

Formación de la zona de carga espacial María José Avilés Conde

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TIPOS DE DIODO

Al establecerse estas corrientes aparecen cargas fijas en una zona a ambos lados de la unión, zona que recibe diferentes denominaciones como zona de carga espacial, de agotamiento, de deplexión, de vaciado, etc. A medida que progresa el proceso de difusión, la zona de carga espacial va incrementando su anchura profundizando en los cristales a ambos lados de la unión. Sin embargo, la acumulación de iones positivos en la zona n y de iones negativos en la zona p, crea un campo eléctrico (E) que actuará sobre los electrones libres de la zona n con una determinada fuerza de desplazamiento, que se opondrá a la corriente de electrones y terminará deteniéndolos. Este campo eléctrico es equivalente a decir que aparece una diferencia de tensión entre las zonas p y n. Esta diferencia de potencial (V 0) es de 0,7 V en el caso del silicio y 0,3 V si los cristales son de germanio. La anchura de la zona de carga espacial una vez alcanzado el equilibrio, suele ser del orden de 0,5 micras pero cuando uno de los cristales está mucho más dopado que el otro, la zona de carga espacial es mucho mayor. Al dispositivo así obtenido se le denomina diodo, que en un caso como el descrito, tal que no se encuentra sometido a una diferencia de potencial externa, se dice que no está polarizado. Al extremo p, se le denomina ánodo, representándose por la letra A, mientras que la zona n, el cátodo, se representa por la letra C (o K).

A (p)

C ó K (n)

Representación simbólica del diodo pn

Cuando se somete al diodo a una diferencia de tensión externa, se dice que el diodo está polarizado, pudiendo ser la polarización directa o inversa.

1.2. POLARIZACIÓN

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DIRECTA 5

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En este caso, la batería disminuye la barrera de potencial de la zona de carga espacial, permitiendo el paso de la corriente de electrones a través de la unión; es decir, el diodo polarizado directamente conduce la electricidad. Para que un diodo esté polarizado directamente, tenemos que conectar el polo positivo de la batería al ánodo del diodo y el polo negativo al cátodo. En estas condiciones podemos observar que: 

El polo negativo de la batería repele los electrones libres del cristal n, con lo que estos electrones se dirigen hacia la unión p-n.



El polo positivo de la batería atrae a los electrones de valencia del cristal p, esto es equivalente a decir que empuja a los huecos hacia la unión p-n.



Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batería es mayor que la diferencia de potencial en la zona de carga espacial, los electrones libres del cristal n, adquieren la energía suficiente para saltar a los huecos del cristal p, los cuales previamente se han desplazado hacia la unión p-n.



Una vez que un electrón libre de la zona n salta a la zona p atravesando la zona de carga espacial, cae en uno de los múltiples huecos de la zona p convirtiéndose en electrón de valencia. Una vez ocurrido esto el electrón es atraído por el polo positivo de la batería y se desplaza de átomo en átomo hasta llegar al final del cristal p, desde el

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cual se introduce en el hilo conductor y llega hasta la batería. De este modo, con la batería cediendo electrones libres a la zona n y atrayendo electrones de valencia de la zona p, aparece a través del diodo una corriente eléctrica constante hasta el final. 1.3. POLARIZACIÓN

INVERSA

En este caso, el polo negativo de la batería se conecta a zona p y el polo positivo a la zona n, lo que hace aumentar zona de carga espacial, y la tensión en dicha zona hasta que alcanza el valor de la tensión de la batería, tal y como explica a continuación:

la la se se



El polo positivo de la batería atrae a los electrones libres de la zona n, los cuales salen del cristal n y se introducen en el conductor dentro del cual se desplazan hasta llegar a la batería. A medida que los electrones libres abandonan la zona n, los átomos pentavalentes que antes eran neutros, al verse desprendidos de su electrón en el orbital de conducción, adquieren estabilidad (8 electrones en la capa de valencia) y una carga eléctrica neta de +1, con lo que se convierten en iones positivos.



El polo negativo de la batería cede electrones libres a los átomos trivalentes de la zona p. Recordemos que estos átomos sólo tienen 3 electrones de valencia, con lo que una vez que han formado los enlaces covalentes con los

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TIPOS DE DIODO

átomos de silicio, tienen solamente 7 electrones de valencia, siendo el electrón que falta el denominado hueco. El caso es que cuando los electrones libres cedidos por la batería entran en la zona p, caen dentro de estos huecos con lo que los átomos trivalentes adquieren estabilidad (8 electrones en su orbital de valencia) y una carga eléctrica neta de -1, convirtiéndose así en iones negativos. 

Este proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga espacial adquiere el mismo potencial eléctrico que la batería.

En esta situación, el diodo no debería conducir la corriente; sin embargo, debido al efecto de la temperatura se formarán pares electrón-hueco a ambos lados de la unión produciendo una pequeña corriente (del orden de 1 μA) denominada corriente inversa de saturación. Además, existe también una denominada corriente superficial de fugas la cual, como su propio nombre indica, conduce una pequeña corriente por la superficie del diodo; ya que en la superficie, los átomos de silicio no están rodeados de suficientes átomos para realizar los cuatro enlaces covalentes necesarios para obtener estabilidad. Esto hace que los átomos de la superficie del diodo, tanto de la zona n como de la p, tengan huecos en su orbital de valencia con lo que los electrones circulan sin dificultad a través de ellos. No obstante, al igual que la corriente inversa de saturación, la corriente superficial de fugas es despreciable. 1.4.

CURVA CARACTERÍSTICA DEL DIODO

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TIPOS DE DIODO

Tensión umbral, de codo o de partida (V γ ). La tensión umbral (también llamada barrera de potencial) de polarización directa coincide en valor con la tensión de la zona de carga espacial del diodo no polarizado. Al polarizar directamente el diodo, la barrera de potencial inicial se va reduciendo, incrementando la corriente ligeramente, alrededor del 1% de la nominal. Sin embargo, cuando la tensión externa supera la tensión umbral, la barrera de potencial desaparece, de forma que para pequeños incrementos de tensión se producen grandes variaciones de la intensidad.



Corriente máxima (I max ). Es la intensidad de corriente máxima que puede conducir el diodo sin fundirse por el efecto Joule. Dado que es función de la cantidad de calor que puede disipar el diodo, depende sobre todo del diseño del mismo.



Corriente inversa de saturación (I s ). Es la pequeña corriente que se establece al polarizar inversamente el diodo por la formación de pares electrónhueco debido a la temperatura, admitiéndose que se duplica por cada incremento de 10º en la temperatura.



Corriente superficial de fugas. Es la pequeña corriente que circula por la superficie del diodo, esta corriente es función de la tensión aplicada al diodo, con lo que al aumentar la tensión, aumenta la corriente superficial de fugas.



Tensión de ruptura (V r ). Es la tensión inversa máxima que el diodo puede soportar antes de darse el efecto avalancha. Teóricamente, al polarizar inversamente el diodo, este conducirá la corriente inversa de saturación; en la realidad, a partir de un determinado valor de la tensión, en el diodo normal o de unión abrupta la ruptura se debe al efecto avalancha; no obstante hay otro tipo de diodos, como los Zener, en los que la ruptura puede deberse a dos efectos:

Efecto avalancha (diodos poco dopados). En polarización inversa se generan pares electrón-hueco que provocan la corriente inversa de saturación; si la tensión inversa es elevada los electrones se aceleran incrementando su energía María José Avilés Conde

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cinética de forma que al chocar con electrones de valencia pueden provocar su salto a la banda de conducción. Estos electrones liberados, a su vez, se aceleran por efecto de la tensión, chocando con más electrones de valencia y liberándolos a su vez. El resultado es una avalancha de electrones que provoca una corriente grande. Este fenómeno se produce para valores de la tensión superiores a 6 V. Efecto Zener (diodos muy dopados). Cuanto más dopado está el material, menor es la anchura de la zona de carga. Puesto que el campo eléctrico E puede expresarse como cociente de la tensión V entre la distancia d; cuando el diodo esté muy dopado, y por tanto d sea pequeño, el campo eléctrico será grande, del orden de 3·10 5 V/cm. En estas condiciones, el propio campo puede ser capaz de arrancar electrones de valencia incrementándose la corriente. Este efecto se produce para tensiones de 4 V o menores. Para tensiones inversas entre 4 y 6 V la ruptura de estos diodos especiales, como los Zener, se puede producir por ambos efectos. 1.5.

MODELOS MATEMÁTICOS

El modelo matemático más empleado es el de Shockley (en honor a William Bradford Shockley) que permite aproximar el comportamiento del diodo en la mayoría de las aplicaciones. La ecuación que liga la intensidad de corriente y la diferencia de potencial es:

Donde:  I es la intensidad de la corriente que atraviesa el diodo y V D la diferencia de tensión entre sus extremos. 

I S es la corriente de saturación



q es la carga del electrón



T es la temperatura absoluta de la unión



k es la constante de Boltzmann



n es el coeficiente de emisión, dependiente del proceso de fabricación del diodo y que suele adoptar valores entre 1 (para el germanio) y del orden de 2 (para el silicio).

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TIPOS DE DIODO

El término V T = kT/q = T/11600 es la tensión debida a la temperatura, del orden de 26 mV a temperatura ambiente (300 K ó 27 ºC).

Con el objeto de evitar el uso de exponenciales (a pesar de ser uno de los modelos más sencillos), en ocasiones se emplean modelos más simples aún, que modelizan las zonas de funcionamiento del diodo por tramos rectos; son los llamados modelos de continua o de Ram-señal que se muestran en la figura. El más simple de todos (4) es el diodo ideal.

Un cuadro de características funcionamiento es: POLARIZACIÓN DIRECTA el ánodo se conecta al positivo de la batería y el cátodo al negativo.

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considerando

CIRCUITO

los

parámetros

de

CARACTERÍSTICAS El diodo conduce con una caída de tensión de 0,6 a 0,7V. El valor de la resistencia interna seria muy bajo. Se comporta como un interruptor cerrado

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DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS INVERSA el ánodo se conecta al negativo y el cátodo al positivo de la batería

TIPOS DE DIODO El diodo no conduce y toda la tensión de la pila cae sobre él. Puede existir una corriente de fuga del orden de uA. El valor de la resistencia interna sería muy alto Se comporta como un interruptor abierto.

1.6.

LAS PRINCIPALES APLICACIONES DEL DIODO SON:

A primera vista parece que el diodo solamente podría tener la misión de ser un rectificador de corriente, del modo que se usa en el alternador. Pero los diodos sirven para más cosas y existen, además de los diodos llamados de superficie que son los característicos que acabamos de describir, otras formas y funciones para estos componentes electrónicos. A continuación pondremos las funciones de los diodos con su respectiva explicación.



Circuitos Recortadores (Clippers)



Circuitos Desplazadores

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

TIPOS DE DIODO

Puertas Lógicas

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TIPOS DE DIODO

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TIPOS DE DIODO

Rectificador de media onda

El último diagrama presentado (Diodo + fuente de CA), es mejor conocido como rectificador de media onda, por el motivo de que solo durante un semiciclo conduce. Si en serie con el diodo, colocamos una carga = resistencia, por ejemplo un foco, solo encenderá durante el semiciclo durante el cuál el diodo conduce, el cuál es el (+). Por lo tanto, el foco estará parpadeando, ello se muestra en la animación, en esta ocasión, ya no representaré al diodo como interruptor cerrado y abierto, confiando en que eso ya quedó entendido, de igual manera omití las flechas de flujo de corriente, solo cabe recordar que durante el semiciclo (+), el diodo se polariza en directa = interruptor cerrado, con lo cuál la corriente fluye a través de todo el circuito y el foco enciende, en el semiciclo (-), el diodo se polariza en inversa y no conduce, no hay flujo de corriente a través del circuito y por tanto el foco no enciende.

En este caso le conecte un foco para tener una salida visual, las ondas que se muestran son las que veríamos si conectáramos un osciloscopio, en lugar el foco podría colocarse un motor. La salida, es el conjunto de los semiciclos (+), a los cuales el diodo les permitió el paso, los semiciclos (-), son bloqueados por el diodo y no llegan al foco, por eso no aparecen a la salida.. Tenemos entonces que mientras que la entrada era un voltaje de CA “semiciclos (+) y (-)”, la salida en un voltaje de Corriente Directa CD, al poseer solo semiciclos (+). Con un arreglo de 2 diodos se puede aprovechar el semiciclo negativo, ese rectificador es llamado de onda completa, pero no lo explicaré ya que no es muy utilizado, si alguien tiene interés en el hágamelo saber y se tratará el tema. María José Avilés Conde

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TIPOS DE DIODO

Rectificador de onda completa

El rectificador tipo puente, es el más utilizado, es común encontrarlo en las fuentes de voltaje de casi todos los equipos. Consta del arreglo de 4 diodos, de los cuáles 2 conducen en cada semiciclo mientras los otros están en inversa sin conducir. Volveré a recurrir a la utilización de flechas para indicar por que diodos y en que dirección a través de la carga fluye la corriente, en la animación la carga, una vez más es representada por un foco.

Durante el semiciclo (+), D1 y D3, son polarizados directamente por la fuente de CA, D1 conduce la corriente a través de la carga y a través de D3 la corriente regresa a la Fuente CA a su polo (-). Durante este semiciclo D2 y D4 están polarizados en inversa por tanto no conducen. En el semiciclo (-), los que estarán en inversa serán D1 y D3, mientras D2 y D4 son polarizados en directa, D2 empieza a conducir a través de la carga y la corriente regresa por D4. La salida obtenida del rectificador, llega a la carga de manera unidireccional, lo que equivale a un solo sentido, de (+) a (-), lo que es mejor conocido como Corriente Directa (CD). Con este arreglo de diodos, se aprovechan los 2 semiciclos de la señal de entrada.

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Recordando que un ciclo, ocurre al volver al punto de inicio, en la señal de entrada CA, un ciclo completo consta de 2 semiciclos (+) y (-). En la animación, cada semiciclo dura 6 segundos, por tanto un ciclo completo ocurre cada 12 segundos. Tenemos entonces que la frecuencia de la señal de entrada es = 1/12 = .0833 = 83.3 milihertz. Al pasar por el rectificador, el semiciclo (-), es “convertido” en (+), por ello, en la señal de salida no existe semiciclo (-), entonces cada ciclo inicia en 0 V, asciende hasta su valor pico y termina cuando este desciende. Con lo cuál obtenemos que, cada ciclo ocurre cada 6 segundos = 1/6 = .166 = 166 milihertz. Lo anterior, revela que este tipo de rectificador, tiene como ventaja que aprovecha ambos semiciclos, con lo cuál se duplica la frecuencia con que la corriente llega a la carga y en nuestro caso el foco seguirá parpadeando, pero ahora será por el hecho de que la CA baja hasta 0v para luego volver a subir. 

Estabilizador Zener

El diodo Zener, también llamado diodo regulador de tensión, podemos definirlo como un elemento semiconductor de silicio que tiene la característica de un diodo normal cuando trabaja en sentido directo, es decir, en sentido de paso; pero en sentido inverso, y para una corriente inversa superior a un determinado valor, presenta una tensión de valor constante. Este fenómeno de tensión constante en el convierte a los diodos de Zener en dipositivos útiles para obtener una tensión relativamente variaciones de la tensión de alimentación, dispositivos reguladores de tensión. 

sentido inverso excepcionalmente invisible a las es decir, como

Multiplicador

Es un montaje hecho con diodos y condensadores que suma la tensión en cada etapa. La figura muestra un multiplicador de tensión con diodos ideales y condensadores de capacidad infinita. Las cifras en rojo muestran los valores de tensión alterna ( RMS), mientras que las negras son la componente continua en cada etapa. Evidentemente, invirtiendo los diodos se tendrían tensiones negativas. María José Avilés Conde

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Advertencia: Un multiplicador de tensión sin cargar con una impedancia se comporta como un condensador, pudiendo proporcionar transitorios de elevada corriente, lo que los hace peligrosos cuando son de alta tensión. Habitualmente se les pone una resistencia en serie para limitar este transitorio a valores seguros, tanto para el propio circuito como ante accidentes eventuales. 

Como protector

Un circuito en donde convenga que la corriente circule solamente en un sentido determinado, y nunca en sentido contrario, puede ser protegido por la presencia de un diodo. En la imagen vemos un ejemplo en donde se ha colocado un diodo entre un generador de corriente continua y la batería.

El diodo no deja pasar la corriente de la batería al generador aún cuado si lo hace desde el generador a la batería de modo que hace las veces de un disyuntor sin contactos móviles ni desgaste. 

Descarga

Puesto en derivación en un circuito dotado de una fuente de autoinducción, tal como se representa en la imagen, un diodo impide el paso de alguna corriente cuando el circuito está alimentado por una corriente exterior; pero permite el paso de una extracorriente de ruptura cuando el interruptor se abre.

D. Tensión de entrada positiva. El diodo 1 se encuentra en directa (conduce), mientras que el 2 se encuentra en inversa (no conduce). La tensión de salida es igual a la de entrada. El diodo 2 ha de soportar en inversa la tensión máxima del secundario. María José Avilés Conde

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Tensión de entrada negativa. El diodo 2 se encuentra en directa (conduce), mientras que el 1 se encuentra en inversa (no conduce). La tensión de salida es igual a la de entrada pero de signo contrario. El diodo 1 ha de soportar en inversa la tensión máxima del secundario.

Puente de Graetz o Puente Rectificador En este caso se emplean cuatro diodos con la disposición de la figura. Al igual que antes, sólo son posibles dos estados de conducción, o bien los diodos 1 y 3 están en directa y conducen (tensión positiva) o por el contrario son los diodos 2 y 4 los que se encuentran en directa y conducen (tensión negativa). A diferencia del caso anterior, ahora la tensión máxima de salida es la del secundario del transformador (el doble de la del caso anterior), la misma que han de soportar los diodos en inversa, al igual que en el rectificador con dos diodos. Esta es la configuración usualmente empleada para la obtención de corriente continua Tensión rectificada. Como acabamos de ver, la curva de transferencia, que relaciona las tensiones de entrada y salida, tiene dos tramos: para tensiones de entrada positivas las tensiones de entrada y salida son iguales, mientras que para tensiones de entrada negativas, ambas son iguales pero de signo contrario. El María José Avilés Conde

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resultado es que en la carga se ha eliminado la parte negativa de la señal de entrada trasformándola en positiva. La tensión máxima en el circuito de salida es, para igual tensión del secundario del trasformador: Vo = Vi = Vs/2 en el rectificador con dos diodos. Vo = Vi = Vs en el rectificador con puente de Graetz.

→

→

Tensión rectificada Como acabamos de ver, la curva de transferencia, que relaciona las tensiones de entrada y salida, tiene dos tramos: para tensiones de entrada negativas la tensión de salida es nula, mientras que para entradas positivas, las tensiones son iguales. El resultado es que en la carga se ha eliminado la parte negativa de la señal de entrada.

→

María José Avilés Conde

→

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2. TIPOS DE DIODOS 2.1 DIODO SCHOTTKY

Los diodos Schottky. voltaje directa (VF) Operan a muy altas potencia, circuitos Reciben también el (Fast recovery) o de

Son dispositivos que tienen una caída de muy pequeña, del orden de 0.3 V o menos. velocidades y se utilizan en fuentes de de alta frecuencia y sistemas digitales. nombre de diodos de recuperación rápida 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. 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. El diodo Schottky llamado así en honor del físico alemán Walter H. Schottky, es un dispositivo semiconductor que proporciona conmutaciones muy rápidas entre los estados de conducción directa e inversa (menos de 1ns en dispositivos pequeños de 5 mm de diámetro) y muy bajas tensiones umbral (también conocidas como tensiones de codo, aunque en inglés se refieren a ella como "knee", o sea, de rodilla). La tensión de codo es la diferencia de potencial mínima necesaria para que el diodo actúe como conductor en lugar de circuito abierto; esto, claro, dejando de lado la región Zener, que es cuando más bien existe una diferencia de potencial lo suficientemente negativa para que -a pesar de estar polarizado en contra del flujo de corriente- éste opere de igual forma como lo haría regularmente. María José Avilés Conde

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El diodo se forma tan enlazar un metal, como aluminio o platino, a silicio de tipo n. Se utiliza a menudo en circuitos integrados para aplicaciones de conmutación de alta velocidad. Su símbolo y su construcción se muestran en la figura 1.40. El diodo Schottky tiene una característica de tensión contra corriente similar a la del diodo de unión pn de silicio, excepto porque la tensión en directo, V , es 0.3 V en vez de 0.7 V. la capacitancia asociada con el diodo es pequeña. El diodo Schottky a veces se denomina diodo de barrera, ya que se forma una barrera a través de la unión debido al movimiento de los electrones del semiconductor a la interfaz metálica. A diferencia del diodo semiconductor unión P–N, tiene una unión Metal-N.

normal

que

tiene

una

Estos diodos se caracterizan por su velocidad de conmutación, una baja caída de tensión cuando están polarizados en directo (típicamente de 0.25 a 0.4 voltios). El diodo Schottky está más cerca del diodo ideal que el diodo semiconductor diodo semiconductor común pero tiene algunas características que hacen imposible su utilización en aplicaciones de potencia. Estas son:  

Poca capacidad de conducción de corriente en directo (en sentido de la flecha). No acepta grandes voltajes que lo polaricen inversamente (VCRR)

Sin embargo el diodo Schottky encuentra gran cantidad de aplicaciones en circuitos de alta velocidad en computadoras , donde se necesitan grandes velocidades de conmutación y su poca caída de voltaje en directo causa poco gasto de energía. En el diagrama a la derecha se puede ver el símbolo del diodo Schottky A frecuencias bajas un diodo normal puede conmutar fácilmente cuando la polarización cambia de directa a inversa, pero a medida que aumenta la frecuencia el tiempo de conmutación puede llegar a ser muy alto, poniendo en peligro el dispositivo. El diodo Schottky está constituido por una unión metalsemiconductor (barrera Schottky), en lugar de la unión convencional semiconductor P - semiconductor N utilizada por los diodos normales. Así se dice que el diodo Schottky es un dispositivo semiconductor "portador mayoritario". Esto significa que, si el María José Avilés Conde

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cuerpo semiconductor está dopado con impurezas tipo N, solamente los portadores tipo N (electrones móviles) jugaran un papel significativo en la operación del diodo y no se realizará la recombinación aleatoria y lenta de portadores tipo N y P que tiene lugar en los diodos rectificadores normales, con lo que la operación del dispositivo será mucho más rápida. La alta velocidad de conmutación permite rectificar señales de muy altas frecuencias y eliminar excesos de corriente en circuitos de alta intensidad. A diferencia de los diodos convencionales de silicio, que tienen una tensión umbral —valor de la tensión en directa a partir de la cual el diodo conduce— de 0,6 V, los diodos Schottky tienen una tensión umbral de aproximadamente 0,2 V a 0,4 V empleándose, por ejemplo, como protección de descarga de células solares con baterías de plomo ácido. La limitación más evidente del diodo de Schottky es la dificultad de conseguir resistencias inversas relativamente elevadas cuando se trabaja con altos voltajes inversos pero el diodo Schottky encuentra una gran variedad de aplicaciones en circuitos de alta velocidad para computadoras donde se necesiten grandes velocidades de conmutación y mediante su poca caída de voltaje en directo permite poco gasto de energía, otra utilización del diodo Schottky es en variadores de alta gama para que la corriente que vuelve desde el motor al variador no pase por el transistor del freno y este no pierda sus facultades. El diodo Schottky se emplea en varios tipos de lógica TTL. Por ejemplo los tipos ALS y AS permiten que los tiempos de conmutación entre los transistores sean mucho menores puesto que son más superficiales y de menor tamaño por lo que se da una mejora en la relación velocidad/potencia. El tipo ALS permite mayor potencia y menor velocidad que la LS, mientras que las AL presentan el doble de velocidad que las Schottky TTL con la misma potencia. A este tipo de diodo también se le denomina diodo de barrera Schottky. El bajar de la barrera de Schottky Las cargas de la imagen se acumulan en el electrodo del metal de una ensambladura del metal-semiconductor mientras que los portadores acercan al interfaz del metal-semiconductor. El potencial asociado a estas cargas reduce la altura eficaz de la barrera. Esta reducción de la barrera tiende para ser algo pequeña comparada a la altura sí mismo de la barrera. Sin embargo esta reducción de la barrera está de interés puesto que depende del voltaje aplicado y conduce a una dependencia del María José Avilés Conde

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voltaje de la corriente del diagonal reverso. Observe que el este bajar de la barrera es experimentado solamente por un portador mientras que acerca al interfaz y por lo tanto no será sensible en una medida del capacitancia-voltaje. Un diagrama de la venda de la energía de un n-tipo barrera de Schottky del silicio incluyendo bajar de la barrera se demuestra en el cuadro 3.2

Cuadro 3.2: Diagrama de la venda de la energía de una barrera de Schottky del silicio con B = 0.8 V y Nd = 1019 centímetros-3. Se demuestra el diagrama de la venda de la energía obtenido usando la aproximación del lleno-agotamiento, la reducción potencial experimentada por los electrones, que acercan al interfaz y al borde de la venda de conducción que resulta. Un redondeo del borde de la venda de conducción se puede observar en el interfaz del metal-semiconductor así como una reducción de la altura de la barrera. El cálculo de la reducción de la barrera asume que la carga de un electrón cerca del interfaz del metal-semiconductor atrae una carga superficial opuesta, que balancea exactamente la carga del electrón de modo que el campo eléctrico que rodea el electrón no penetre más allá de esta carga superficial. El tiempo a la acumulación la carga superficial y la época de polarizar el semiconductor alrededor del electrón móvil se asume para ser mucho más corta que la época del tránsito del electrón. Este panorama se basa en la asunción que no hay cargas móviles o fijas alrededor del electrón pues acerca al interfaz del metalsemiconductor. El electrón y las cargas superficiales inducidas se demuestran en el cuadro 3.3: María José Avilés Conde

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TIPOS DE DIODO

Cuadro 3.3: a) Líneas del campo y cargas superficiales debido a un electrón en proximidad cercana a un conductor perfecto y b) las líneas del campo y la carga de la imagen de un electrón. Puede ser demostrado que el campo eléctrico en el semiconductor es idéntico a el del portador sí mismo y de otro portador con la carga opuesta en la distancia igual pero en el lado opuesto del interfaz. Esta carga se llama la carga de la imagen. La diferencia entre las cargas superficiales reales y la carga de la imagen es que los campos en el metal son distintamente diferentes. Los conceptos de la carga de la imagen se justifican sobre la base que las líneas del campo eléctrico son perpendiculares a la superficie al conductor perfecto, de modo que, en el caso de un interfaz plano, la imagen del espejo de las líneas del campo proporcione líneas continuas del campo a través del interfaz. El bajar de la barrera depende de la raíz cuadrada del campo eléctrico en el interfaz y se calcula de:

(3.11) Corriente de diodo de Schottky La corriente a través de una ensambladura del metal-semiconductor es principalmente debido a los portadores de mayoría. Tres diversos mecanismos existen distintamente: difusión de portadores del semiconductor en el metal, emisión termoiónica de portadores a través de la barrera de Schottky y el hacer un túnel qua'ntummeca'nico a través de la barrera. La teoría de la difusión asume que la fuerza impulsora está distribuida sobre la longitud de la capa de agotamiento. María José Avilés Conde

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La teoría de la emisión termoiónica por otra parte postula que solamente los portadores enérgios, los, a las cuales tenga una energía igual o más grande que la energía de la venda de conducción en el interfaz del metal-semiconductor, contribuyen al flujo actual. el hacer un túnel Quantum-meca'nico a través de la barrera considera la agitar-naturaleza de los electrones, permitiendo que penetren a través de barreras finas. En una ensambladura dada, una combinación de los tres mecanismos podía existir. Sin embargo, típicamente uno encuentra que solamente uno limita el actual, haciéndole el mecanismo actual dominante. El análisis revela que las corrientes de la difusión y de la emisión termoiónica se pueden escribir en la forma siguiente:

(4.1) Esta expresión indica que la corriente es el producto de la carga electrónica, de q, de una velocidad, de v, y de la densidad de portadores disponibles en el semiconductor situado al lado del interfaz. La velocidad iguala la movilidad multiplicada con el campo en el interfaz para la corriente de difusión y la velocidad de Richardson para la corriente de la emisión termoiónica. El un término menos se asegura de que la corriente sea cero si no se aplica ningún voltaje como en equilibrio termal cualquier movimiento de portadores es balanceado por un movimiento de portadores en la dirección opuesta. La corriente el hacer un túnel está de una forma similar, a saber:

(4.2) donde estáv R la velocidad de Richardson y la n es la densidad de portadores en el semiconductor. Se agrega el término de la probabilidad el hacer un túnel ,, puesto que la corriente total depende del flujo del portador que llega la barrera del túnel multiplicada con la probabilidad, , que hacen un túnel a través de la barrera. a. Corriente de difusión Este análisis asume que la capa de agotamiento es grande comparada a la trayectoria libre mala, de modo que los conceptos de la María José Avilés Conde

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deriva y de la difusión sean válidos. Los iguales de la densidad corriente que resultan:

(4.3) La corriente por lo tanto depende exponencial del voltaje aplicado, de Va, y de la altura de la barrera, B. El prefactor conserva se entienda más fácilmente si uno lo reescribe en función del campo eléctrico en el interfaz del metal-semiconductor, máximo:

(4.4) Rendimiento:

(4.5) de modo que el prefactor iguale la corriente de la derivada en el interfaz del metal-semiconductor, que sea cero. b. Emisión termoiónica La teoría de la emisión termoiónica asume que los electrones, que tienen una energía más grande que la tapa de la barrera, cruzarán la barrera los proporcionaron se mueven hacia la barrera. La forma real de la barrera se no hace caso por este medio. La corriente se puede expresar como:

(4.6)

donde

es la constante.

La expresión para la corriente debido a la emisión termoiónica se puede también escribir en función de la velocidad media con la cual los electrones en el acercamiento del interfaz la barrera. María José Avilés Conde

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Esta velocidad se refiere como la velocidad de Richardson dada como:

(4.7) De modo que se convierta la densidad corriente:

(4.8) c. El hacer un túnel La corriente el hacer un túnel se obtiene del producto de la carga, de la velocidad y de la densidad del portador. La velocidad iguala la velocidad de Richardson, la velocidad con la cual en promedio los portadores acercan a la barrera. La densidad del portador iguala la densidad de electrones disponibles, n, multiplicada con la probabilidad el hacer un túnel, , rindiendo: (4.9) De donde la probabilidad el hacer un túnel se obtiene:

(4.10) y el campo eléctrico iguala

= B/L.

La corriente el hacer un túnel por lo tanto depende exponencial de la altura de la barrera a la energía de 3/2. APLICACIONES 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.

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Diodo Schottky construido a través de la técnica de CIs

Curva característica de un diodo SCHOTTKY Contacto Rectificante Un metal en contacto con un semiconductor moderadamente dopado puede formar un contacto rectificante. El mecanismo de corriente en el diodo Schottky es diferente que en el caso de un diodo de juntura PN, y es debido al flujo de portadores mayoritarios. Muchos metales pueden ser usados para crear barreras Schottky sobre semiconductores de silicio (Si) o arseniuro de galio (GaAs). Para GaAs los metales más usados son platino, titanio y oro. Para comprender el mecanismo de funcionamiento de este tipo de juntura (figura 1) debemos comenzar por analizar la estructura de bandas de energía para un metal y para un semiconductor. En la figura 2 se muestra el diagrama de bandas de energía para un metal y un semiconductor de tipo N, antes del contacto.

Eo: Nivel de vacío metal Semiconductor tipo N

q

q m

q s

EC EFs EFi

EFm

EV Figura 1

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Metal

Figura 2

Semiconductor de tipo N

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TIPOS DE DIODO

El nivel de vacío Eo es usado como nivel de representa la energía que tendría un electrón libre de la influencia del material.

referencia y si estuviera

El parámetro q m [eV] es la función trabajo del metal que resulta de la diferencia entre el nivel de vacío Eo y el nivel de Fermi en el metal EFm. La función trabajo del metal es la energía mínima necesaria para liberar a un electrón del metal. La cantidad q s [eV] es la función trabajo del semiconductor, y depende de la concentración del dopaje, porque la posición del nivel de Fermi EFs depende del tipo de dopado y de su concentración. La altura de la barrera de energía en la superficie del semiconductor se expresa por la cantidad q  [eV], donde  es la afinidad electrónica. La afinidad electrónica es una constante del material y resulta de la diferencia de energía entre el nivel de vacío y el borde de la banda de conducción. En este caso particular se ha supuesto que m > s. En la figura 3 se muestra el diagrama de bandas de energía resultante cuando el metal y el semiconductor se ponen en contacto y en condición de equilibrio térmico. Eo

EF

q B

q Vbi

q

q s EC EF EV

xn  w región de agotamiento

(x) Qs = q ND xn A q ND xn

x

Qm = - q ND xn A

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TIPOS DE DIODO

E xn

Emáx

x

Figura 3

Cuando se establece el contacto entre los materiales, las diferencias de energía provoca una transferencia de electrones desde el semiconductor hacia el metal de modo de igualar los niveles de Fermi, en condiciones de circuito abierto. En el semiconductor se forma así una región de carga espacial debida a los átomos donadores ionizados. Se crea un campo eléctrico que se opone al flujo de electrones y en equilibrio se producirá una curvatura de las bandas del lado del semiconductor. La forma del diagrama de bandas de energía para el sistema metal-semiconductor está gobernada por tres reglas:   

En equilibrio el nivel de Fermi debe ser constante a lo largo del sistema. La afinidad electrónica  es constante. El nivel de energía en el espacio libre Eo debe ser continuo

En la interface entre el semiconductor y el metal hay una brusca discontinuidad de los estados permitidos de energía y se produce una barrera de potencial de altura B. Esta es la barrera de potencial vista por los electrones en el metal que tratan de moverse hacia el semiconductor y se conoce como barrera Schottky, dada por: B = m -  Sobre el lado del semiconductor, Vbi es el potencial de contacto, que es el potencial visto por los electrones en la banda de conducción que quieren moverse hacia el metal: Vbi = m - s Una vez conocida la altura de la barrera Schottky se puede evaluar el ancho de la región de agotamiento, el campo eléctrico y la capacidad en forma similar a una juntura P + N suponiendo válida la aproximación de vaciamiento. A partir de la ecuación de Gauss:

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dE  (x)  dx s donde (x) es la densidad de carga espacial por unidad de volumen y s es la permitividad del semiconductor. Si suponemos que el dopaje del semiconductor es uniforme (x) = q ND e integrando la ecuación anterior se obtiene: E

q ND

dx 

q ND x

 C1

s s C1 es una constante de integración. Para x=xn, E = 0, entonces: C1  -

q ND xn

s El campo eléctrico será una función decreciente de la posición:

q ND  xn - x  s El campo máximo Emáx se localiza en la interface entre los materiales: E-

Emáx  -

Dado que: E-

dV dx

q ND xn

s

entonces : V  -  E dx

Por lo tanto, la tensión a través de la región de carga espacial se puede calcular como el área bajo la curva del campo eléctrico, área de un triángulo, cambiado de signo.

V  Vbi  -

Emáx xn 1 q ND xn 2  2 2 s

El ancho de la región de carga espacial será:  2 s Vbi  w  xn     q ND 

1/2

La magnitud de la carga espacial Qs en el semiconductor estará dada por:

La carga sobre contrario. María José Avilés Conde

Qs  q A ND xn  A  2 q s ND Vbi 1 / 2 el metal Qm es igual a

Qs

pero

de

signo

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Como en el caso de la juntura PN se puede definir una capacidad C por unidad de área será: 1/ 2

s  q ND s   xn  2 Vbi  con polarización C

Barrera

Schottky cualitativo

aplicada:

análisis

La altura de la barrera de potencial puede modificarse mediante la aplicación de una polarización externa tal como sucede en una juntura PN. En principio se tiene una barrera q B [eV] entre los electrones en el metal y los estados en la banda de conducción del semiconductor. Esta barrera, puede considerarse independiente de la polarización porque ninguna tensión se mantiene sobre el metal. La caída de tensión total ocurre dentro del semiconductor dentro de la región de carga espacial. De este modo se altera la curvatura de las bandas al modificar la caída de potencial. Entonces, los electrones que se encuentran en el semiconductor en el borde de la banda de conducción, encuentran, al querer moverse hacia el metal, una barrera cuya altura puede cambiarse respecto de su valor en equilibrio (q Vbi [eV]) mediante la aplicación de una polarización adecuada. a) Polarización inversa Para entender el comportamiento del sistema cuando se aplica una tensión externa se considerará que el semiconductor está conectado a tierra. Si se aplica una tensión VR tal que el semiconductor, que es de tipo N, quede positivo respecto del metal (VR < 0), la caída de tensión a través de la región de carga espacial aumenta al valor (Vbi - VR) y, consecuentemente, aumentan el ancho de la región de agotamiento (x'n) y la carga espacial: Qs  q A ND x' n  A  2 q s ND (Vbi - VR) 1/ 2 En el caso ideal B permanece constante. En esa condición de polarización se tiene el diagrama de bandas de energía de la figura 4, que corresponde al caso de polarización inversa.

q B EFm  q VR

q (Vbi +VR) EC EFs EV

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TIPOS DE DIODO

x=0 x = x'n Figura 4 b) Polarización directa Si ahora se aplica una tensión positiva VF al metal respecto del semiconductor, la barrera semiconductor-metal, (Vbi - VF) se reduce. (B permanece aproximadamente constante). En esta situación, los electrones pueden fluir fácilmente desde el semiconductor hacia el metal, porque la altura de la barrera se ha reducido. Esta condición es la polarización directa y se corresponde con el diagrama de bandas mostrado en la figura 5:

q B EFm

q (Vbi +VF) EC EFs EV

q VF

x = 0 x = x"n Figura 5

Cuando se aplica una polarización V, la tensión total a través de la juntura puede expresarse como: Vbi - V 

A 2 q s ND

2 C2 Esta ecuación indica que 1/C vs. V es una recta. Puede usarse la pendiente de esta recta para obtener el dopaje en el semiconductor. Además la intersección con el eje de abscisas da el valor del potencial de contacto Vbi como se muestra en la figura 6. 2

1/C2

Vbi

V

Figura 6 Análisis cuantitativo : característica tensión-corriente ideal María José Avilés Conde

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TIPOS DE DIODO

El diodo de barrera Schottky tiene una característica tensióncorriente similar a la de un diodo de Silicio común, excepto que la tensión umbral es más baja, del orden de 0.2 V- 0.3 V. Como responde mucho más rápido que un diodo normal tiene gran valor en aplicaciones de conmutación de alta velocidad dado que la capacidad de salida asociada con el diodo es muy pequeña. En equilibrio térmico la cantidad de electrones que cruzan la barrera desde el metal hacia el semiconductor queda balanceada por la cantidad de electrones que cruzan desde el semiconductor hacia el metal, de modo que la corriente neta es cero. En el metal los electrones que intentan pasar hacia el semiconductor deben poseer al menos la energía q B y tener una velocidad en la dirección x para llegar al semiconductor. Podemos estimar la corriente considerando que la misma es proporcional a la cantidad de electrones que tienen energías mayores a la barrera en la superficie del semiconductor: ns  NC e- q B/kT

Teniendo en cuenta que en el volumen del semiconductor: (EC - EFs) vol. semic.. n  ND  NC e y además, como puede verse en la figura 3:

q B = q Vbi + (EC - EFs) vol.

semic.

La cantidad de electrones en la superficie será: ns  ND e -q Vbi/kT En equilibrio se tendrá:  I MS 

=  I SM = K ND e -q

Vbi/kT

donde K es una constante de proporcionalidad. De lo anterior se deduce que en este tipo de dispositivos solamente los portadores mayoritarios del semiconductor, en este caso los electrones, contribuyen a la corriente. Para los huecos, portadores minoritarios, no hay una barrera de potencial y pueden trasladarse fácilmente al metal donde se recombinan. Cuando se aplica una tensión V se modifica la caída de potencial en el semiconductor y en consecuencia cambia el flujo de electrones desde el semiconductor hacia el metal. El flujo de electrones desde el metal al semiconductor no cambia porque la barrera de potencial B, idealmente, permanece constante en su valor de equilibrio.

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TIPOS DE DIODO

La cantidad de electrones en la superficie del semiconductor ahora será: ns  ND e -q (Vbi - V)/kT

Por lo tanto:

 I SM = K ND e -q

(Vbi - V)/kT

En tanto que  I MS se mantiene en su antiguo valor. Restando las dos componentes se obtiene el valor de la corriente I:

I =  I SM

-  I MS  = K ND e -q

(Vbi - V)/kT

- K ND e -q

Vbi/kT

la cual puede escribirse: I = Io [e -q donde Io = K ND e -q

Vbi/kT

V/kT

- 1]

y K es una constante.

Barrera Schottky real Hasta aquí se ha supuesto que la altura de la barrera Schottky B permanece constante en condiciones de polarización aplicada. Sin embargo, la altura de la barrera varía con la tensión aplicada, mayormente con polarización inversa, porque el plano metálico conductor tiene el mismo efecto sobre un electrón que una carga imagen de signo opuesto que se encuentre a la misma distancia, detrás del plano x = 0, como se ve en la figura 7. Entonces, los electrones de conducción experimentan una fuerza imagen en el metal que los atrae hacia la superficie del metal disminuyendo la altura de la barrera y apartando la relación corriente-tensión de su valor ideal. Metal

Semiconductor

+

x x=0 Figura 7

W(x) x

EFm

Figura 8

La figura 8 muestra la variación de la energía suponiendo que no hay campo eléctrico aplicado.

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TIPOS DE DIODO

En presencia de un campo eléctrico -E constante que tienda a alejar a los electrones de la superficie metálica, la energía W de los electrones variará según:

- q2 -qE x 16  s x La figura 9 muestra el diagrama de esta energía. W(x) 

xm

x q 

q B'

-qE

EFm Figura 9

x=0

El pico de la barrera de potencial B' se encuentra distancia xm que puede calcularse haciendo dW(x)/dx = 0:

a

una

q 16  s E El descenso de la barrera Schottky está dado por q : xm 

q  

q3 E 16  s

Por lo tanto, la altura de la barrera para el flujo de electrones hacia fuera del metal, q B, varía de la misma forma como lo hace q . La corriente depende exponencialmente de esta altura, ya que sólo la fracción de electrones en el metal, cuya distribución es la de Boltzmann, con energías por encima del máximo de la barrera podrá pasar a través de ella. Entonces, la corriente emitida desde el metal con polarización inversa varía como: q3 E 16  s

I  Io e

kT

Utilizando la aproximación de vaciamiento se encuentra que el campo varía como: María José Avilés Conde

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E

TIPOS DE DIODO

2 q ND

s

(Vbi - V)

Por lo que debido al descenso de la barrera Schottky la corriente emitida depende exponencialmente de la raíz cuarta de la tensión aplicada. Si se considera una barrera Schottky ideal se puede encontrar que la densidad de corriente total está dada por: J = Jo [e -q

V/kT

- 1]

que es una forma similar a la expresión de la densidad de corriente para una juntura PN y se define como positiva en la dirección desde el metal hacia el semiconductor. Se puede encontrar que en este caso la densidad de corriente de saturación Jo estará dada por: donde:

Jo  A * T 2 e -q B/kT

A*

4  q mn k 2

h3 Este parámetro A* se denomina constante efectiva de Richardson para emisión termoiónica, depende de la masa efectiva de los electrones y la constante de Planck. Si se considera el descenso de la barrera Schottky por efecto de la fuerza imagen, la ecuación anterior se modifica a: -q B/kT q /kT Jo  A * T 2 e e

Circuito equivalente de pequeña señal

El circuito equivalente de pequeña señal del diodo Schottky cuyo símbolo esquemático se muestra en la figura 10, es muy similar al de un diodo de juntura PN, figura 11.

Figura Figura 10 Figura 11

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TIPOS DE DIODO

El circuito incluye la combinación en paralelo de la resistencia Rd y la capacidad CT de la región de agotamiento, donde: Estos elementos del circuito están en serie con Rs, que incluye la resistencia de los contactos y de la región neutra del semiconductor, y una inductancia parásita en serie Ls, que tiene efectos en aplicaciones de muy alta frecuencia. También se incluye la capacidad geométrica del dispositivo que puede calcularse como: Cgeom 

As L 1/ 2

 q ND s  dV Rd  y CT  A   dI  2 (Vbi - V)  donde L es la longitud del dispositivo de área transversal A. La diferencia más importante con el circuito equivalente del diodo de juntura PN es la ausencia de la capacidad de difusión, que predomina en polarización directa. Esta capacidad está asociada con el tiempo de retardo causado por la recombinación electrón-hueco. Como el diodo Schottky es un dispositivo de portadores mayoritarios la recombinación es un efecto despreciable. La eliminación de la capacidad de difusión hace que el dispositivo tenga una rápida respuesta temporal y es mayormente usado en aplicaciones de conmutación. Para un diodo Schottky un tiempo de conmutación típico es de 1 ps, en tanto que un diodo común está en el orden de 1 ns. Comparación de un diodo Schottky y un diodo de unión PN Los diodos Schottky tienen muchas aplicaciones porque presentan algunas ventajas respecto a los diodos de unión PN. Además de lo comentado en el párrafo anterior respecto a su mayor velocidad de respuesta temporal, prácticamente no hay efectos de recombinación de portadores en la región de agotamiento. Para una polarización directa aplicada el diodo Schottky presenta una mayor corriente lo que se evidencia como una menor tensión de umbral, alrededor de 0.2 - 0.3 V como se muestra en la figura 12, en la cual se comparan los diodos. De la característica I-V del diodo Schottky puede verse que resulta una fácil conducción del flujo de corriente en polarización directa, debido a que los electrones en el semiconductor ven una barrera reducida. En polarización inversa, la corriente de saturación queda determinada por la barrera para los electrones en el metal B.

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TIPOS DE DIODO

I diodo Schottky diodo de unión PN

0

0.2

0.6

V

Figura 12

Contacto óhmico Los contactos óhmicos son los que proporcionan la interconexión de cualquier dispositivo electrónico con el exterior. Son contactos metal-semiconductor en los cuales no hay efecto rectificante. Básicamente, un contacto óhmico es una juntura de baja resistencia que provee conducción en ambas direcciones entre el metal y el semiconductor. Idealmente, la corriente a través del contacto óhmico es una función lineal del potencial aplicado que podrá ser muy pequeño. La figura 13 compara la característica corrientetensión entre un contacto óhmico y un contacto rectificante.

I contacto contacto óhmico rectificante

0

0.2

V Figura 13

Hay dos tipos de contactos óhmicos. El primero es una barrera no rectificante y el segundo es una barrera túnel.

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TIPOS DE DIODO

Barrera ideal no rectificante Supongamos un contacto metal-semiconductor (tipo N) donde m < s. La figura 14 muestra el diagrama de bandas de energía antes del contacto entre los materiales. Eo: Nivel de vacío q

EFm q m

q s EC EFs EFi

EV Semiconductor de tipo N

Metal Figura 14

Para llegar a las condiciones de equilibrio térmico en la unión los electrones fluirán desde el metal hacia los estados más bajos de energía del semiconductor, lo cual hace que la superficie del semiconductor sea más de tipo N. La carga en exceso en el semiconductor existe como una densidad de carga superficial. El diagrama de bandas luego del contacto, sin polarización aplicada se muestra en al figura 15. Eo q s q m EFm

EC

q B

EFs EFi EV Figura 15

Si se aplica una tensión positiva al metal respecto al semiconductor no hay barrera para los electrones que fluyen desde el semiconductor hacia el metal, figura 16. Cuando se aplica al metal una tensión negativa respecto del semiconductor los electrones pueden fácilmente cruzar la barrera desde el metal hacia el semiconductor, figura 17. De esta forma, este tipo de juntura se comporta como un contacto óhmico, presentando fácil conducción en ambos sentidos de polarización aplicada.

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TIPOS DE DIODO

EFm

EFm

Figura 15

Figura 16

Barrera túnel Un contacto metal-semiconductor es óhmico cuando el efecto de la barrera sobre el flujo de portadores es despreciable. Esto puede lograrse dopando fuertemente el semiconductor de modo que el ancho de la barrera, xn, se reduce a un valor muy pequeño del orden de decenas de Angstrom. En estas condiciones los portadores pasan por efecto túnel a través de la barrera. En la tecnología de circuitos integrados suele realizarse este tipo de contacto óhmico entre alumnio y silicio tipo N fuertemente dopado. Si el silicio tiene un dopaje del orden de 10 19 -10 20 1/cm 3 el nivel de Fermi se encuentra muy cerca de la banda de conducción, la región de carga espacial es muy estrecha y por lo tanto, también lo será la barrera. De este modo, puede haber efecto túnel si hay una cantidad de electrones disponibles de un lado de la unión y en el otro hay una cantidad suficiente de estados vacíos. En equilibrio térmico, la cantidad de electrones que pasan por efecto túnel del metal hacia el semiconductor es la misma que laos que pasan desde el semiconductor hacia el metal. Como se muestra en la figura 17 si la barrera es muy estrecha y el metal se polariza más negativamente respecto al semiconductor, los electrones en el metal pueden formar un túnel a través de la barrera y pasar hacia los estados de la banda de conducción del semiconductor. Por el contrario, cuando el semiconductor se polariza negativamente respecto al metal, los electrones del semiconductor pueden formar un túnel y pasar hacia estados electrónicos del metal, como muestra la figura 18. María José Avilés Conde

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TIPOS DE DIODO

Electrones que cruzan por efecto túnel Electrones que cruzan por efecto túnel Estados en la banda de conducción eB EFm eEC B EFm EFs EC EFs EV EV Figura 17

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Figura 18

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TIPOS DE DIODO

Diodo de barrera Schottky

Diodo de potencia Schottky

Diodo de potencia Schottky

Diodo Schottky

Diodo Schottky

Diodo Schottky GaAs

Diodo Schottky SiC

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TIPOS DE DIODO

CARACTERISTICAS DE ALGUNOS DIODOS SCHOTTKY.

Diodos SCHOTTKY 1N5819

1Am 40Vlts. DO15

1N5822

3Am 40Vlts. DO201

BAT41

100mA. 100Vlts. DO35

BAT43

200mA. 30Vlts. DO35

BAT47

350mA. 20Vlts. DO35

BAT81

Diodo BAT81 DO35

BAT85

Diodo BAT85 DO34

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TIPOS DE DIODO

2.2 DIODO LED

Un LED, acrónimo inglés de Light-Emitting Diode (diodo emisor de luz) es un dispositivo semiconductor (diodo) que emite luz policromática, es decir, con diferentes longitudes de onda, cuando se polariza en directa y es atravesado por la corriente eléctrica. El color depende del material semiconductor empleado en la construcción del diodo, pudiendo variar desde el ultravioleta, pasando por el espectro de luz visible, hasta el infrarrojo, recibiendo éstos últimos la denominación de IRED (Infra-Red Emitting Diode). El funcionamiento físico consiste en que, un electrón pasa de la banda de conducción a la de valencia, perdiendo energía. Esta energía se manifiesta en forma de un fotón desprendido, con una amplitud, una dirección y una fase aleatoria.

El dispositivo semiconductor está comúnmente encapsulado en una cubierta de plástico de mayor resistencia que las de vidrio que usualmente se emplean en las lámparas incandescentes. Aunque el plástico puede estar coloreado, es sólo por razones estéticas, ya que ello no influye en el color de la luz emitida.

A (p)

C ó K (n)

Representación simbólica del diodo LED

María José Avilés Conde

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DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS Para obtener una la corriente que desde 1,5 hasta intensidades que en los diodos de LEDs.

TIPOS DE DIODO

buena intensidad luminosa debe escogerse bien atraviesa el LED; el voltaje de operación va 2,2 voltios aproximadamente, y la gama de debe circular por él va desde 10 hasta 20 m A color rojo, y de 20 a 40 mA para los otros

El primer LED que emitía en el espectro visible fue desarrollado por el ingeniero de General Electric Nick Holonyak en 1962. El LED es un diodo que produce luz visible infrarroja) cuando se encuentra polarizado.

(o

invisible,

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. Energía que libera un LED La energía eléctrica es proporcional a la tensión que se necesita para hacer que los electrones fluyan a través de la juntura p-n. Son predominantemente de un solo color de luz. La energía (E) de la luz emitida por un LED está relacionada con la carga eléctrica (q) de un electrón, y el voltaje (v) requerido para encenderlo se obtiene mediante la expresión E= q x V . Esta expresión dice simplemente que el voltaje es proporcional al la energía eléctrica y es una regla general que se aplica a cualquier circuito, como el LED. La constante q es la carga eléctrica de un solo electrón: -1,6 x 10 exp. –19 Coulomb. Frecuencia de un LED. La frecuencia de la luz está relacionada con la longitud de onda de luz de una manera muy simple. El espectrómetro puede ser usado para examinar la luz de un LED, y para estimar el pico de la longitud de onda emitido por el LED. La longitud de la onda está relacionada con la frecuencia de la luz por la fórmula María José Avilés Conde

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TIPOS DE DIODO f = c / v

donde c el la velocidad de la luz y v es la longitud de onda de la luz leída desde el espectrómetro (en unidades de nanómetros, es decir, la millonésima parte de un milímetro).

La frecuencia correspondiente a la emisión del LED rojo es de 4,55 x 10 exp. 14 Hertz. Para aplicaciones prácticas en telecomunicaciones y por razones de velocidad y capacidad de transmisión, se desarrollaron los siguientes tipos de LED: LED de Emisión por Superficie (Tipo Burrus) Este diodo emite la luz en muchas direcciones, pero según la forma física de la unión, puede concentrarse en un área muy pequeña denominada pozo. Con la ayuda de lentes ópticos que se colocan en superficie, se pueden lograr mayores concentraciones de luz. Figura 40.

María José Avilés Conde

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LED Emisor de Borde (Diodos ELED) Este diodo emite un patrón de luz en forma elíptica, más direccional que el emitido por los diodos de emisión superficial. Figura 41.

Los diodos emisores superficiales son más utilizados que los diodos emisores de borde, porque emiten más luz; sin embargo, sus pérdidas de luz por conexión son mayores y su ancho de banda muy angosto. De todo lo expuesto, se deduce que las aplicaciones en sistemas de comunicaciones se corresponden con: -

Fibras multimodo de apertura numérica alta, que compensa la gran superficie de emisión y la baja potencia de salida y fibras monomodo.

-

Secciones de regeneración pequeñas o recorridos cortos) redes locales o tendidos en pequeñas áreas) que no precisen regeneradores, ya que el gran ancho espectral lleva a dispersiones muy altas, provocando incluso que la dispersión cromática pueda superar a la modal.

Baja velocidad permitido.

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de

modulación,

función

del

ancho

de

banda

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Principio de Funcionamiento:

Diodo emisor de luz con la unión polarizada en sentido directo. Al polarizar directamente un diodo LED conseguimos que por la unión pn sean inyectados huecos en el material tipo N y electrones en el material tipo P; produciéndose, por consiguiente una inyección de portadores minoritarios. Cuando estos portadores se recombinan, se produce la liberación de una cantidad de energía proporcional al salto de banda de energía del material semiconductor. Una parte de esta energía se libera en forma de luz, mientras que la parte restante lo María José Avilés Conde

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hace en forma de calor, estando determinadas las proporciones por la mezcla de los procesos de recombinación que se producen. La energía contenida en un fotón de luz es proporcional a su frecuencia, es decir, su color. Cuanto mayor sea el salto de banda de energía del material semiconductor que forma el LED, más elevada será la frecuencia de la luz emitida. 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 100ð puede ser realmente de 98ð o de 102ð 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. Control de un LED. Un LED puede ser activado por corriente continua, o corriente alterna.

por impulsos

Por corriente continua. El circuito típico empleado se mostró en la figura anterior. El control de la corriente se realiza por medio de la resistencia R y su valor es: R = (E – Vf)/ If siendo E la tensión de alimentación, Vf la tensión en bornes del LED e If la corriente que lo atraviesa. La tensión E debe ser, por lo menos, dos veces la tensión Vf. Para los colores rojo, anaranjado y amarillo se recomienda un valor de If de 5 a 15 mA, mientras que para el ver de se recomienda de 10 a 20 mA. Los parámetros para un LED de color azul son bastante diferentes, ya que presentan una Vf = 5v. y una corriente If de 60 mA para una intensidad luminosa de 50 mcd. En régimen de impulsos. Éste es el método más empleado, ya que el LED presenta una mayor fiabilidad y ofrece las siguientes ventajas frente al método anterior: a) La intensidad luminosa puede ajustarse variando la amplitud o el ancho del impulso aplicado. b) Genera mayor intensidad luminosa para una misma corriente media. María José Avilés Conde

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¿ Cómo se determina la amplitud de los impulsos ? Cuando se realiza el control del LED por impulsos hay que determinar la amplitud de los mismos de la siguiente manera: Comparando con el control por corriente continua, para la misma corriente media, el control por impulsos ofrece una mayor intensidad luminosa media y una menor disipación de potencia. El funcionamiento impulsional de los LEDS provoca un fenómeno de percepción conocido como “ luz enriquecida “. Este fenómeno es debido en parte a la retención del ojo de altos niveles de brillo, como los producidos por un destello de luz. Este fenómeno sólo aparece en los dispositivos de GaAsP debido a que este material no satura en condiciones de elevadas corrientes. Cuando el ojo humano es el detector de la energía visible, la menor energía es consumida en funcionamiento impulsional. Esto es una ventaja especialmente importante en equipos alimentados por baterías y cuando hay que controlar grandes conjuntos de LEDS. En corriente alterna. Cuando un diodo LED se conecta a un circuito de alterna hay que prever una protección contra la tensión inversa si se espera exceder el valor máximo de Vr. En la figura siguiente se muestra un método de protección utilizando un diodo en conexión inversa.

En la siguiente figura se describe un método alternativo utilizando dos diodos LEDS. Si no circula corriente, ninguno de los dos LEDS se encenderá mientras que la presencia de María José Avilés Conde

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DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS corriente en cualquiera de encendido de alguno de ellos.

TIPOS DE DIODO las

direcciones

provocará

el

Tecnología LED/OLED En corriente continua (DC), todos los diodos emiten una cierta cantidad de radiación cuando los pares electrón-hueco se recombinan, es decir, cuando los electrones caen desde la banda de conducción (de mayor energía) a la banda de valencia (de menor energía). Indudablemente, la frecuencia de la radiación emitida y, por ende, su color, dependerá de la altura de la banda prohibida (diferencias de energía entre las bandas de conducción y valencia), es decir, de los materiales empleados. Los diodos convencionales, de silicio o germanio, emiten radiación infrarroja muy alejada del espectro visible. Sin embargo, con materiales especiales pueden conseguirse longitudes de onda visibles. Los LED e IRED, además tienen geometrías especiales para evitar que la radiación emitida sea reabsorbida por el material circundante del propio diodo, lo que sucede en los convencionales.

Los primeros diodos construidos fueron los diodos infrarrojos y de color rojo, permitiendo el desarrollo tecnológico posterior María José Avilés Conde

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DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS la construcción menores.

de

diodos

TIPOS DE DIODO para

longitudes

de

onda

cada

vez

En particular, los diodos azules fueron desarrollados a finales de los 90 por Shuji Nakamura, añadiéndose a los rojos y verdes desarrollados con anterioridad, lo que permitió, por combinación de los mismos, la obtención de luz blanca. El diodo de seleniuro de zinc puede emitir también luz blanca si se mezcla la luz azul que emite con la roja y verde creada por fotoluminiscencia. La más reciente innovación en el ámbito de la tecnología LED son los diodos ultravioletas, que se han empleado con éxito en la producción de luz blanca al emplearse para iluminar materiales fluorescentes. Tanto los diodos azules como los ultravioletas son caros respecto de los más comunes (rojo, verde, amarillo e infrarrojo), siendo por ello menos empleados en las aplicaciones comerciales. Los LED comerciales típicos están diseñados para potencias del orden de los 30 a 60 mW. En torno a 1999 se introdujeron en el mercado diodos capaces de trabajar con potencias de 1 W para uso continuo; estos diodos tienen matrices semiconductoras de dimensiones mucho mayores para poder soportar tales potencias e incorporan aletas metálicas para disipar el calor (ver convección) generado por efecto Joule. En 2002 se comercializaron diodos para potencias de 5 W, con eficiencias en torno a 60 lm/W, es decir, el equivalente a una lámpara incandescente de 50 W. De continuar esta progresión, en el futuro será posible el empleo de LED en la iluminación. El comienzo del siglo XXI ha visto aparecer los diodos OLED (LED orgánicos), fabricados con materiales polímeros orgánicos semiconductores. Aunque la eficiencia lograda con estos dispositivos está lejos de la de los diodos inorgánicos, su fabricación promete ser considerablemente más barata que la de aquellos, siendo además posible depositar gran cantidad de diodos sobre cualquier superficie empleando técnicas de pintado para crear pantallas a color.

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Compuestos empleados en la construcción de LED.

Compuesto

Color

Long. de onda

Arseniuro de galio (GaAs)

Infrarrojo

940nm

Arseniuro de galio y aluminio (AlGaAs)

Rojo e infrarrojo

890nm

Arseniuro fosfuro de galio (GaAsP)

Rojo, naranja y amarillo

630nm

Fosfuro de galio (GaP)

Verde

555nm

Nitruro de galio (GaN)

Verde

525nm

Seleniuro de zinc (ZnSe)

Azul

Nitruro de galio e indio (InGaN)

Azul

450nm

Carburo de silicio (SiC)

Azul

480nm

Diamante (C)

Ultravioleta

Silicio (Si)

En desarrollo

Si alguna vez ha visto, unas pequeñas luces de diferentes colores que se encienden y apagan, en algún circuito electrónico, ha visto los diodo LED en funcionamiento. El LED es un tipo especial de diodo, que trabaja como un diodo común, pero que al ser atravesado por la corriente eléctrica, emite luz. Existen diodos LED de varios colores que dependen del material con el cual fueron construidos. Hay de color rojo, verde, amarillo, ámbar, infrarrojo. Eléctricamente el diodo LED se comporta igual que un diodo de silicio o germanio. Si se pasa una corriente a través del diodo semiconductor , se inyectan electrones y huecos en las regiones P y N, respectivamente. Dependiendo de la magnitud de la corriente, hay recombinación de los portadores de carga (electrones y huecos). Hay un tipo María José Avilés Conde

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de recombinaciones que se llaman recombinaciones radiantes (aquí la emisión de luz ). La relación entre las recombinaciones radiantes y el total de recombinaciones depende del material semiconductor utilizado (GaAs, GaAsP,y GaP). Debe de escogerse bien la corriente que atraviesa el LED para obtener una buena intensidad luminosa y evitar que este se pueda dañar. El LED tiene un voltaje de operación que va de 1.5 V a 2.2 voltios. Aproximadamente y la gama de corrientes que debe circular por él está entre los 10 y 20 miliamperios (mA) en los diodos de color rojo y de entre los 20 y 40 miliamperios (mA) para los otros LEDs. Tiene enormes ventajas sobre las lámparas indicadoras comunes, como su bajo consumo de energía , su mantenimiento casi nulo y con una vida aproximada de 100,000 horas. El diodo LED debe ser protegido. Una pequeña cantidad de corriente en sentido inverso no lo dañará, pero si hay picos inesperados puede dañarse. Una forma de protegerlo es colocar en paralelo con el diodo LED pero apuntando en sentido opuesto un diodo de silicio común. APLICACIONES Se utiliza ampliamente en aplicaciones visuales, como indicadoras de cierta situación específica de funcionamiento. Ejemplos - Se utilizan para desplegar contadores - Para indicar la polaridad de una fuente de alimentación de corriente continua. - Para indicar la actividad de una fuente de alimentación de corriente alterna. - En dispositivos de alarma Los diodos infrarrojos (IRED) se emplean desde mediados del siglo XX en mandos a distancia de televisores, habiéndose generalizado su uso en otros electrodomésticos como equipos de aire acondicionado, equipos de música, etc. y en general para aplicaciones de control remoto, así como en dispositivos detectores. María José Avilés Conde

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Los LED se emplean con profusión en todo tipo de indicadores de estado (encendido/apagado) en dispositivos de señalización (de tráfico, de emergencia, etc.) y en paneles informativos (el mayor del mundo, del NASDAQ, tiene 36,6 metros de altura y está en Times Square, Manhattan). También se emplean en el alumbrado de pantallas de cristal líquido de teléfonos móviles, calculadoras, agendas electrónicas, etc., así como en bicicletas y usos similares. Existen además impresoras LED. El uso de lámparas LED en el ámbito de la iluminación (incluyendo la señalización de tráfico) es previsible que se incremente en el futuro, ya que aunque sus prestaciones son intermedias entre la lámpara incandescente y la lámpara fluorescente, presenta indudables ventajas, particularmente su larga vida útil, su menor fragilidad y la menor disipación de energía, además de que, para el mismo rendimiento luminoso, producen la luz de color, mientras que los hasta ahora utilizados, tienen un filtro, lo que reduce notablemente su rendimiento. Los LEDS utilizados en aplicaciones electrónicas, debido a la respuesta espectral del silicio y a consideraciones de rendimiento, son normalmente diodos emisores de infrarrojos, IRED. Este tipo de diodo es un LED que emite luz invisible en la región del infrarrojo cercano. El diodo láser es una forma especial de LED o IRED con dimensiones físicas y propiedades ópticas estrechamente controladas en la zona de la unión productora de luz. Esta circunstancia hace posible conseguir una cavidad resonante óptica para la longitud de onda operativa tal, que la realimentación óptico-eléctrica asegure una producción de luz monocromática direccional con un elevado rendimiento. El estrecho e intenso haz virtualmente monocromático y la alta frecuencia de funcionamiento que son características típicas del diodo láser, pueden ser muy ventajosas en aplicaciones tales como fibra óptica, interferometría, sistemas de alineamiento preciso y sistemas de exploración. La cavidad óptica de precisión es de difícil fabricación y puede originar tensiones en la estructura del cristal del láser que, en caso de producirse, causarán una rápida disminución de la potencia de salida luminosa. Aunque los diodos láser ofrecen unas elevadas prestaciones, son en contrapartida de utilización poco económica y por otra parte su fiabilidad debe comprobarse en cada aplicación.

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Las características eléctricas del LED, diodo láser e IRED son similares a las de otros diodos de unión pn en lo que se refiere a presentar una caída de tensión directa ligeramente superior a la de los diodos de silicio y a la reducida tensión de ruptura inversa, como consecuencia de los niveles de dopado requeridos para una eficiente producción. Diodos LED: revolución en la luz Las lámparas con diodos LED, que dan una agradable luz blanca, consumen poco y duran muchos años, están llamadas a hacer desaparecer la bombilla incandescente La sabiduría popular dice que las bombillas se funden porque a ningún fabricante le interesaría vender una bombilla eterna. La vendería una sola vez, claro. Sin embargo, están surgiendo lámparas que proporcionan una luz clara, no se calientan, consumen veinte veces menos que una bombilla incandescente y duran años. Muy pronto iluminarán su casa: son los diodos LED. El diseño de interiores es esclavo de la tecnología Cuando aparecieron los plásticos, las casas se llenaron de muebles brillantes de color naranja que, por cierto, hoy vuelven a estar de moda. Por su parte, las bombillas halógenas, pequeñas y muy brillantes, cambiaron la forma de las lámparas y convirtieron la instalación de focos halógenos empotrados en el techo en la primera tarea de bricolaje para los manitas.

¿Qué podemos esperar en los próximos años cuando apretemos un interruptor? Lámparas más pequeñas, más brillantes, y más ecológicas. El futuro se llama LED. ¿Cómo funcionan? Cuando Albert Einstein recibió el premio Nobel de física en 1921 no fue por su teoría de la relatividad, sino por un estudio aparentemente más modesto: el efecto fotoeléctrico. María José Avilés Conde

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Einstein describió cómo algunos materiales, al ser sometidos a una corriente eléctrica, emiten luz.

La luz producida mediante el efecto fotoeléctrico tiene una frecuencia determinada (es decir, es de un sólo color), que depende del tipo de material. También existe el efecto contrario, que hace que los paneles fotovoltaicos produzcan electricidad al exponerlos a la luz. Los diodos LED se conocen desde los años 60. Son esos pilotos rojos y verdes que hay en todos los aparatos electrónicos. Dentro de la caperuza de plástico de un diodo LED hay un material semiconductor. Cuando se aplica una pequeña corriente eléctrica, emite luz, sin producir calor y con un color definido. El color puede ser incluso invisible para el ojo humano, como los LED infrarrojos que hay en el mando a distancia del televisor. Una cuestión de color azul Si los diodos LED son tan antiguos, ¿por qué no se han popularizado antes? El problema es precisamente el color. Los diodos rojos y verdes eran muy fáciles y baratos de producir, pero los azules no. Todo cambió en 1993 cuando el investigador Shuji Nakamura descubrió un proceso más barato de fabricación con dos compuestos: Nitruro de Galio y nitruro de Indio, que son los que se utilizan en la actualidad.

María José Avilés Conde

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Para conseguir luz blanca hay que mezclar en partes iguales luz roja, verde y azul. Se puede hacer el experimento de mirar de cerca una parte blanca de la pantalla del ordenador, y se comprobará que está compuesta de diminutos puntos de estos colores. Al alejarse, se ve el color blanco. El descubrimiento de los LED azules abrió la puerta a la iluminación doméstica, pantallas de ordenador más ligeras y luces de discoteca más espectaculares, que pueden adoptar cualquier color y controlarse con un PC, y también a una avalancha de pilotos azules en electrodomésticos y coches "tuneados". Ventajas de los diodos LED  Tamaño: a igual luminosidad, un diodo espacio que una bombilla incandescente.

LED

ocupa

menos



Luminosidad: los diodos LED son más brillantes que una bombilla, y además, la luz no se concentra en un punto (como el filamento de la bombilla) sino que el todo el diodo brilla por igual.



Duración: un diodo LED puede durar 50.000 horas, o lo que es lo mismo, seis años encendido constantemente. Eso es 50 veces más que una bombilla incandescente.



Consumo: un semáforo que sustituya las bombillas por diodos LED consumirá 10 veces menos con la misma luminosidad.

En vías de desarrollo Entonces, ¿por qué se venden ya lámparas LED en las tiendas de iluminación? Incluso con todas sus ventajas, todavía no están listas para llegar al consumidor medio. Los diodos LED de luz blanca, en realidad son diodos azules con un recubrimiento de fósforo que produce luz amarilla. La suma del amarillo y el azul produce una luz blanquecina llamada a veces "luz de luna" que es la que se emplea en las linternas LED.

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Este tipo de diodos LED todavía son caros. Las lámparas de 3W, que pueden sustituir a una bombilla de 40W, cuestan alrededor de 65 ¬. El ahorro en el consumo y la duración no son suficientes motivos para que los consumidores se lancen a por ellas. No ocurre así en otras aplicaciones donde la duración y el consumo sí son factores importantes, como los semáforos, la iluminación de aviones o las linternas que se usan en deportes de riesgo (como la alta montaña, la espeleología y otros), donde esta tecnología de iluminación ha encontrado, por el momento, uno de sus principales mercados. Información sobre Leds, historia y tecnologías actuales Casi todos estamos familiarizados con los leds, los conocemos de verlos en el frente de muchos equipos de uso cotidianos, como radios, televisores, teléfonos celulares y display de relojes digitales, sin embargo la falta de una amplia gama de colores y una baja potencia lumínica han limitado su uso considerablemente. No obstante eso esta cambiando gradualmente con la introducción de nuevos materiales que han permitido crear leds de prácticamente todo el espectro visible de colores y ofreciendo al mismo tiempo una eficiencia lumínica que supera a la de las lámparas incandescentes. Estos brillantes, eficientes y coloridos nuevos leds están expandiendo su dominio a un amplio rango de aplicaciones de iluminación desplazando a su anterior campo de dominio que era el de la mera indicación. Si consideramos su particularidad de bajo consumo energético y su prácticamente imbatible ventaja para su uso en señalamiento exterior (carteles de mensaje variables y señales de transito) tendremos que el futuro de estos pequeños dispositivos semiconductores es realmente muy promisorio tal como lo indican los números actuales de crecimiento de mercado a nivel mundial. ¿Cómo funcionan los leds? Para responder esta respuesta correctamente tendremos que empezar diciendo que el led es un diodo que emite luz (Light emitting Diode) y que un diodo es un semiconductor y que los semiconductores están hechos fundamentalmente de silicio. Como veremos mas adelante los led están hechos de una gran gama de elementos de la tabla periódica, pero nos ocuparemos ahora de explicar el funcionamiento del diodo a través del comportamiento del Silicio, ya que este es el material fundamental y mas popular de la electrónica moderna. María José Avilés Conde

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El silicio es un elemento muy común en la naturaleza, tal es así que se encuentra en la arena de las playas y en los cristales de cuarzo. Si miramos donde se encuentra el Silicio (SI) en la tabla periódica de los elementos lo encontraremos con el numero atómico 14 y sus vecinos inmediatos son el Galio (Ga), Aluminio (Al), Boro (B), Carbono (C), Nitrógeno (N), Fósforo (P), Arsénico (As) y Germanio (Ge). Recuerden estos elementos porque forman parte de los distintos tipos de tecnologías de leds y son los que determinaran el color de emisión. El carbono, el silicio y el galio poseen una propiedad única en su estructura electrónica, cada uno posee 4 electrones en su orbita externa lo que les permite combinar o compartir estos electrones con 4 átomos vecinos, formando así una malla cuadricular o estructura cristalina, de esta forma no quedan electrones libres como en el caso de los conductores que poseen electrones libres en su ultima orbita que pueden moverse a través de los átomos formando así una corriente eléctrica. Por lo dicho, el silicio en su forma pura es básicamente un aislante. Podemos hacerlo conductor al mezclarlo con pequeñas cantidades de otros elementos, a este proceso se lo denomina “dopaje”. Hay dos tipos de dopaje: Dopaje N: En este caso el silicio se dopa con Fósforo o Arsénico en pequeñas cantidades. El Fósforo y el Arsénico tienen 5 electrones en su orbita externa que terminan sobrando cuando se combina en una red de átomos de silicio. Este quinto electrón se encuentra libre para moverse, lo que permite que una corriente eléctrica fluya a través del Silicio. Se necesita solo una pequeña cantidad de dopaje o impurezas para lograr esta corriente, por ejemplo al agregar un átomo de impurezas por cada 10 8 (1000 millones) átomos de Silicio se incrementa la conductividad en un factor de 10. Los electrones tienen una carga negativa, por eso se llama dopaje tipo N. Dopaje P: En este caso el silicio se dopa con Boro o Galio en pequeñas cantidades. El Boro y el Galio tienen 3 electrones en su orbita externa por lo que termina faltando un electrón cuando se combina en una red de átomos de Silicio. Este electrón faltante ocasiona que se formen huecos en la red. Estos huecos permiten que se circule una corriente a través del Silicio ya que ellos aceptan de muy buena gana ser “tapados” por un electrón de un átomo vecino, claro que esto provoca que se forme un hueco en el átomo que desprendió dicho electrón, este proceso se repite por lo que se forma una corriente de huecos a través de la red. Es de notar que en todos los caso lo único que se mueve fuera del átomo son los electrones, pero en este caso dicho María José Avilés Conde

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movimiento provoca un efecto similar o equivalente al movimiento de huecos. Se necesita solo una pequeña cantidad de dopaje o impurezas para lograr esta corriente. Los agujeros tienen una carga positiva, por eso se llama dopaje tipo P Tanto el Silicio dopado N como el Silicio dopado P tienen propiedades conductoras pero a decir de verdad no son muy buenos conductores de ahí el nombre de semiconductor. Por separado ambos semiconductores no dicen mucho, pero cuando se juntan producen efectos interesantes, especialmente entre la juntura de ambos. Creando el diodo Cuando unimos Silicio N y Silicio P, tenemos una juntura semiconductora P-N este es el dispositivo semiconductor mas simple y es conocido con el nombre de diodo y es la base de toda la electrónica moderna. El diodo permite la circulación de corriente en un sentido pero no en el sentido contrario tal como sucede en los molinetes de subte con las personas. Cuando conectamos el diodo a una batería con el terminal P al borne negativo y el terminal N al borne positivo (lo conectamos en inversa) tenemos que en el primer caso los huecos son atraídos por los electrones que provienen del terminal negativo de la batería y ese es el fin de la historia. Lo mismo sucede del lado N, los electrones libres son atraídos hacia el terminal positivo. Por lo tanto no circula corriente por la juntura ya que electrones y agujeros se movieron en sentido contrario (hacia los terminales del diodo) Si damos vuelta el diodo (lo conectamos en directa), tenemos que los electrones libres del terminal N se repelerán con los electrones libres del terminal negativo de la batería por lo que los primeros se dirigirán a la zona de juntura. En el terminal positivo tenemos que los huecos del terminal P se repelerán con los huecos del terminal positivo de la batería por lo tanto los huecos del semiconductor se dirigirán a la juntura. En la juntura los electrones y los huecos se recombinan formando así una corriente que fluirá en forma permanente. Un diodo real cuando se conecta en reversa tiene una pequeña corriente de perdida del orden de los 10 microamperes que se mantiene aproximadamente constante mientras la tensión de la batería no supere un determinado nivel, luego del cual la corriente crece abruptamente, esta zona se llama zona de María José Avilés Conde

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ruptura o avalancha. Generalmente esta zona queda fuera de las condiciones normales de funcionamiento. Hay que mencionar que dicha corriente inversa es casi linealmente dependiente de la temperatura.

Cuando el diodo se conecta en directa veremos que sobre sus extremos se produce una caída de tensión del orden de los 0.6 volts para los diodos de silicio normales. Esta caída de tensión es un reflejo de la energía necesaria para que los electrones salten la juntura y es característica de cada material. Este valor es conocido como potencial de salto de banda (band gap).Tenemos entonces que para sacar un electrón de su orbita necesitamos energía y que esta se pierde en el transcurso de su recorrido dentro del diodo, esta energía se transforma en radiación, básicamente calor u ondas infrarrojas en un diodo normal. De diodos a Leds Como dijimos, si la energía que se necesita es pequeña, se tendrá que dicha energía se emitirá en ondas infrarrojas de relativamente baja frecuencia, si el material necesitara mas energía para que se produzca el paso de la corriente, las ondas que emitirá el diodo tendrían mas energía y se pasaría de emitir luz infrarroja a roja, naranja, amarilla, verde, azul, violeta y ultravioleta. O sea el diodo emitiría luz monocromática en el espectro visible y más allá. Ya tenemos el led!!! Por supuesto a más alta frecuencia mayor será la caída de tensión por lo que pasaremos de 0.6v de caída para un diodo normal a 1,3 v para un led infrarrojo, 1,8 v. para un led rojo, 2,5 v. para uno verde, y 4,3v. para un led azul y más de 5v. para un led ultravioleta. Estas distintas longitudes de ondas se forman combinando distintas proporciones de materiales, los mismos que se enumeraron al inicio. Encapsulado de los leds Existen numerosos encapsulados disponibles para los leds y su cantidad se incrementa de año en año a medida que las aplicaciones de los leds se hacen mas especificas. Por ahora nos detendremos a estudiar las partes constitutivas de un led a través de la figura 1.1 la cual representa tal vez el encapsulado mas popular de los leds que es el T1 ¾ de 5mm. de diámetro.

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Fig 1.1 Partes constitutivas de un LED

Como vemos el led viene provisto de los dos terminales correspondientes que tienen aproximadamente 2 a 2,5 cm de largo y sección generalmente de forma cuadrada. En el esquema podemos observar que la parte interna del terminal del cátodo es más grande que el ánodo, esto es porque el cátodo esta encargado de sujetar al sustrato de silicio, por lo tanto será este terminal el encargado de disipar el calor generado hacia el exterior ya que el terminal del ánodo se conecta al chip por un delgado hilo de oro, el cual prácticamente no conduce calor. Es de notar que esto no es así en todos los leds, solo en los últimos modelos de alto brillo y en los primeros modelos de brillo estándar, ya que en los primeros led de alto brillo es al revés. Por eso no es buena política a la hora de tener que identificar el cátodo, hacerlo observando cual es el de mayor superficie. Para eso existen dos formas más convenientes, la primera y más segura es ver cual es el terminal mas corto, ese es siempre el cátodo no importa que tecnología sea el led. La otra es observar la marca plana que también indica el cátodo, dicha marca plana es una muesca o rebaje en un reborde que tiene los leds. Otra vez este no es un método que siempre funciona ya que algunos fabricantes no incluyen esta muesca y algunos modelos de leds pensados para aplicaciones de cluster donde se necesitan que los leds estén muy pegados, directamente no incluye este reborde. El terminal que sostiene el sustrato cumple otra misión muy importante, la de reflector, ya que posee una forma parabólica o su aproximación semicircular, este es un punto muy critico en la fabricación y concepción del led ya que un mal enfoque puede María José Avilés Conde

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TIPOS DE DIODO

ocasionar una perdida considerable de energía o una proyección despareja. Un led bien enfocado debe proyectar un brillo parejo cuando se proyecta sobre una superficie plana. Un led con enfoque defectuoso se puede identificar porque proyecta formas que son copia del sustrato y a veces se puede observar un aro mas brillante en el exterior de circulo, síntoma seguro de que la posición del sustrato se encuentra debajo del centro focal del espejo terminal. Dentro de las características ópticas del led aparte de su luminosidad esta la del ángulo de visión, se define generalmente el ángulo de visión como el desplazamiento angular desde la perpendicular donde la potencia de emisión disminuye a la mitad. Según la aplicación que se le dará al led se necesitara distintos ángulos de visión así son típicos leds con 4,6,8,16,24,30,45,60 y hasta 90 grados de visión. Generalmente el ángulo de visión esta determinado por el radio de curvatura del reflector del led y principalmente por el radio de curvatura del encapsulado. Por supuesto mientras mas chico sea el ángulo y a igual sustrato semiconductor se tendrá un mayor potencia de emisión y viceversa. Otro componente del led que no es muestra en la figura pero que es común encontrarlo en los led de 5mm son los stand-off o separadores, son topes que tienen los terminales y sirven para separar los leds de la plaqueta en aplicaciones que así lo requieren, generalmente si se va colocar varios leds en una plaqueta conveniente que no tenga stand - off ya que de esta forma el encapsulado del led puede apoyarse sobre la plaqueta lo que le dará la posición correcta, esto es especialmente importante en leds con ángulo de visión reducido. Por ultimo tenemos el encapsulado epoxi que es el encargado de proteger al semiconductor de las inclemencias ambientales y como dijimos ayuda a formar el haz de emisión. Existen básicamente 4 tipos de encapsulado si lo catalogamos por su color. Transparente o clear water (agua transparente): Es el utilizado en leds de alta potencia de emisión, ya que el propósito de estos leds es fundamentalmente iluminar, es importante que estos encapsulados no absorban de ninguna manera la luz emitida. Coloreados o tinted: Similar al color de emisión de sustrato botellas, se usa principalmente donde sea necesario identificar María José Avilés Conde

anterior pero coloreado con el similar al vidrio de algunas en leds de mediana potencia y/o el color del led aun apagado. 66

DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS

TIPOS DE DIODO

Difuso o difused: Estos leds tiene un aspecto mas opacos que el anterior y están coloreados con el color de emisión, poseen pequeñas partículas en suspensión de tamaño microscópicos que son las encargadas de desviar la luz, este tipo de encapsulado le quita mucho brillo al led pero le agrega mucho ángulo de visión ya que los múltiples rebotes de la luz dentro del encapsulo le otorgan un brillo muy parejo sobre casi todos los ángulos prácticos de visión. Lechosos o Milky: Este tipo de encapsulado es un tipo difuso pero sin colorear, estos encapsulado son muy utilizados en leds bicolores o multicolores. El led bicolor es en realidad un led doble con un cátodo común y dos ánodos ( 3 terminales) o dos led colocados en contraposición (2 terminales). Generalmente el primer caso con leds rojo y verde es el mas común aunque existen otras combinaciones incluso con mas colores. Es muy importante hacer notar que en todos los casos el sustrato del led es el que determina el color de emisión y no el encapsulado. Un encapsulado con frecuencia de paso distinta a la frecuencia de emisión del sustrato solo lograría filtrar la luz del led, bajando así su brillo aparente al igual que todo objeto colocado delante de él. Evolución de los leds El primer led comercialmente utilizable fue desarrollado en el año 1962, combinando Galio, Arsénico y Fósforo (GaAsP) con lo cual se consiguió un led rojo con una frecuencia de emisión de unos 650 nm con una intensidad relativamente baja, aproximadamente 10mcd @20mA,(mcd = milicandela, posteriormente explicaremos las unidades fotométricas y radiométricas utilizadas para determinar la intensidad lumínica de los leds ). El siguiente desarrollo se basó en el uso del Galio en combinación con el Fósforo (GaP) con lo cual se consiguió una frecuencia de emisión del orden de los 700nm. A pesar de que se conseguía una eficiencia de conversión electrón- fotón o corriente-luz mas elevada que con el GaAsP, esta se producía a relativamente baja corrientes, un incremento en la corriente no generaba un aumento lineal en la luz emitida, sumado a esto se tenia que la frecuencia de emisión estaba muy cerca del infrarrojo una zona en la cual el ojo no es muy sensible por lo que el led parecía tener bajo brillo a pesar de su superior desempeño de conversión. Los siguientes desarrollos, ya entrada la década del 70, introdujeron nuevos colores al espectro. Distinta proporción de materiales produjo distintos colores. Así se consiguieron colores verde y rojo utilizando GaP y ámbar, naranja y rojo de 630nm (el cual es muy visible) utilizando GaAsP. También se desarrollaron leds infrarrojos, los cuales se hicieron María José Avilés Conde

67

DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS rápidamente populares en los controles televisores y otros artefactos del hogar.

TIPOS DE DIODO remotos

de

los

En la década del 80 un nuevo material entró en escena el GaAlAs Galio, Aluminio y Arsénico. Con la introducción de este material el mercado de los leds empezó a despegar ya que proveía una mayor performance sobre los leds desarrollados previamente. Su brillo era aproximadamente 10 veces superior y además se podía utilizar a elevadas corrientes lo que permitía utilizarlas en circuitos multiplexados con lo que se los podía utilizar en display y letreros de mensaje variable. Sin embargo este material se caracteriza por tener un par de limitaciones, la primera y más evidente es que se conseguían solamente frecuencias del orden de los 660nm (rojo) y segundo que se degradan mas rápidamente en el tiempo que los otros materiales, efecto que se hace más notorio ante elevadas temperaturas y humedades. Hay que hacer notar que la calidad del encapsulado es un factor fundamental en la ecuación temporal. Los primeros desarrollos de resinas epoxi para el encapsulado poseían una no muy buena impermeabilidad ante la humedad, además los primeros leds se fabricaban manualmente, el posicionamiento del sustrato y vertido de la resina era realizado por operarios y no por maquinas automáticas como hoy en día, por lo que la calidad del led era bastante variable y la vida útil mucho menor que la esperada. Hoy en día esos problemas fueron superados y cada vez son mas las fabricas que certifican la norma ISO 9000 de calidad de proceso. Además últimamente es más común que las resinas posean inhibidores de rayos UVA y UVB, especialmente en aquellos leds destinado al uso en el exterior. En los 90 se apareció en el mercado tal vez el más exitoso material para producir leds hasta la fecha el AlInGaP Aluminio, Indio, Galio y Fósforo. Las principales virtudes de este tetar compuesto son que se puede conseguir una gama de colores desde el rojo al amarillo cambiando la proporción de los materiales que lo componen y segundo, su vida útil es sensiblemente mayor, a la de sus predecesores, mientras que los primeros leds tenia una vida promedio efectiva de 40.000 horas los leds de AlInGaP podían mas de 100.000 horas aun en ambientes de elevada temperatura y humedad. Es de notar que muy difícilmente un led se queme, si puede ocurrir que se ponga en cortocircuito o que se abra como un fusible e incluso que explote si se le hace circular una elevada corriente, pero en condiciones normales de uso un led se degrada o sea que pierde luminosidad a una taza del 5 % María José Avilés Conde

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DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS

TIPOS DE DIODO

anual. Cuando el led ha perdido el 50% de su brillo inicial, se dice que ha llegado al fin de su vida útil y eso es lo que queremos decir cuando hablamos de vida de un led. Un rápido calculo nos da que en una año hay 8760 horas por lo que podemos considerar que un LED de AlInGaP tiene una vida útil de mas de 10 años. Como dijimos uno de factores fundamentales que atentan contra este numero es la temperatura, tanto la temperatura ambiente como la interna generada en el chip, por lo tanto luego nos referiremos a técnicas de diseño de circuito impreso para bajar la temperatura. Explicaremos un detalle de mucha importancia respecto a los leds y su construcción. Cuando se fabrica el led, se lo hace depositando por capas a modo de vapores, los distintos materiales que componen el led, estos materiales se depositan sobre una base o sustrato que influye en la dispersión de la luz. Los primeros leds de AlInGaP se depositaban sobre sustratos de GaAs el cual absorbe la luz innecesariamente. Un adelanto en este campo fue reemplazar en un segundo paso el sustrato de GaAs por uno de GaP el cual es transparente, ayudando de esta forma a que mas luz sea emitida fuera del encapsulado. Por lo tanto este nuevo proceso dio origen al TS AlInGaP (Tranparent Substrate ) y los AlInGaP originales pasaron a denominarse AS AlInGaP (Absorbent Susbtrate). Luego este mismo proceso se utilizo para los led de GaAlAs dando origen al TS GaAlAs y al As GaAlAs. En ambos casos la Eficiencia luminosa se incrementaba típicamente en un factor de 2 pudiendo llegar en algunos casos a incrementarse en un factor de 10. Como efecto secundario de reemplazar el As por el TS se nota un pequeño viro al rojo en la frecuencia de emisión, generalmente menor a los 10nm. A final de los 90 se cerro el circulo sobre los colores del arco iris, cuando gracias a las tareas de investigación del Shuji Nakamura, investigador de Nichia, una pequeña empresa fabricante de leds de origen japonés, se llego al desarrollo del led azul, este led siempre había sido difícil de conseguir debido a su elevada energía de funcionamiento y relativamente baja sensibilidad del ojo a esa frecuencia (del orden de los 460 nm) Hoy en día coexisten varias técnicas diferentes para producir luz azul, una basada en el SiC Silicio – Carbono otra basada en el GaN Galio – Nitrógeno, otra basada en InGaN Indio-GalioNitrógeno sobre substrato de Zafiro y otra GaN sobre sustrato SiC. El compuesto GaN, inventado por Nakamura, es actualmente el mas utilizado. Otras técnicas como la de ZnSe Zinc – Selenio María José Avilés Conde

69

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TIPOS DE DIODO

ha sido dejadas de lado y al parecer el SiC seguirá el mismo camino debido a su bajo rendimiento de conversión y elevada degradación con la temperatura. Dado que el azul es un color primario, junto con el verde y el rojo, tenemos hoy en día la posibilidad de formar el blanco con la combinación de los tres y toda la gama de colores del espectro, esto permite que los display gigantes y carteles de mensajes variables full color se hagan cada día más habituales en nuestra vida cotidiana. Frecuencia

Color

Material

940 890

Infrarrojo Infrarrojo

700 660 640 630 626 615

Rojo profundo GaP Rojo profundo GaAlAs Rojo AlInGaP Rojo GaAsP/GaP Rojo AlInGaP Rojo – AlInGaP Naranja Naranja GaAsP/GaP Amarillo GaAsP/GaP Amarillo AlInGaP Verde GaP Verde GaP Verde InGaN Verde GaN Verde InGaN/Zafiro turquesa Verde InGaN/Zafiro turquesa Azul SiC Azul InGaN/Zafiro Azul GaN Azul InGaN/Zafiro Ultravioleta GaN

610 590 590 565 555 525 525 505 498 480 450 430 425 370

GaAs GaAlAs

Tabla 1.1 Materiales y frecuencias de emisión típicas de un LED Es también posibles lograr otros colores con el mismo material GaN, como por ejemplo el verde azulado o turquesa, de una frecuencia del orden de los 505 nm. Este color es importante ya que es el utilizado para los semáforos y entra dentro de la norma IRAM 2442 Argentina y María José Avilés Conde

70

DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS VTCSH parte 2 americana y otras. Su visible para las personas daltónicas.

TIPOS DE DIODO tono

azulado

lo

hace

El daltonismo es una enfermedad congénita que hace a quien lo padece ser parcialmente ciego a determinadas frecuencias de color, generalmente dentro de ellas esta la correspondiente al verde puro que tiene una frecuencia del orden de los 525 nm. Otros colores también son posibles de conseguir como por ejemplo el púrpura, violeta o ultravioleta. Este ultimo es muy importante para la creación de una forma más eficiente de producir luz blanca que la mera combinación de los colores primarios, ya que añadiendo fósforo blanco dentro del encapsulado, este absorbe la radiación ultravioleta y emite frecuencia dentro de todo el espectro visible, logrando luz blanca en un proceso similar al que se produce en el interior de los tubos fluorescentes. A veces el fósforo posee una leve tonalidad amarillenta para contrarrestar el tono azulado de la luz del semiconductor. Luego de tantos materiales y frecuencias de ondas seria bueno resumir todo esto en una forma mas clara, es por ello en la tabla 1.1 se detallan los distintos frecuencias de emisión típica de los leds comercialmente disponibles y sus materiales correspondientes. Los datos técnicos fueron obtenidos de distintos fabricantes. Es de notar que la resolución del ojo es del orden de los 3 a 5 nm según el color de que se trate. Para tener una idea aproximada de la relación entre la frecuencia expresada en nanómetros y su correspondencia con un color determinado es que a continuación se presenta un grafico simplificado del triangulo de Maxwell o Diagrama de Cromaticidad CIE (Fig.1.2). Cada color se puede expresar por sus coordenadas X e Y. Los colores puros o saturados se encuentran en el exterior del triangulo y a medida que nos acercamos a su centro el color tiende al blanco. El centro de la zona blanca es el blanco puro y suele expresarse por medio de la temperatura de color, en grados Kelvin, de un cuerpo negro. Simplificando podemos decir que un cuerpo negro al calentarse empieza a emitir ondas infrarrojas, al subir la temperatura empieza a tomar un color rojizo, esto es en los 770 nm, al seguir elevándose la temperatura, el color se torna anaranjado, amarillento y finalmente blanco, describiendo una parábola desde el extremo inferior derecho hacia el centro del triangulo. María José Avilés Conde

71

DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS

TIPOS DE DIODO

Por lo tanto cada color por donde pasa dicha parábola puede ser representado por una temperatura equivalente. El centro del triangulo (blanco puro) se corresponde con una temperatura de 6500 K. El tono de los leds blanco viene expresado precisamente en grados kelvin. Una temperatura superior significa un color de emisión blanco – azulado.

Fig1.2 Diagrama de cromaticidad Conexión La diferencia de potencial varía especificaciones relacionadas con el soportada.

de acuerdo a las color y la potencia

En términos generales puede considerarse:        

Rojo = 1,6 V Rojo alta luminosidad = 1,9v Amarillo = 1,7 V a 2V Verde = 2,4 V Naranja = 2,4 V Blanco brillante= 3,4 V Azul = 3,4 V Azul 430nm= 4,6 V

El conocimiento de esta tensión es fundamental para el diseño del circuito en el que sea necesaria su presencia, pues, María José Avilés Conde

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DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS

TIPOS DE DIODO

normalmente se le coloca en serie una resistencia que limita la intensidad que circulará por el. Cuando se polariza directamente se comporta como una lamparita que emite una luz cuyo color depende de los materiales con los que se fabrica. Cuando se polariza inversamente no se enciende y además no deja circular la corriente. La intensidad mínima para que un diodo LED emita luz visible es de 4mA y, por precaución como máximo debe aplicarse 50mA. Para identificar los terminales del diodo LED observaremos como el cátodo será el terminal más corto, siendo el más largo el ánodo. Además en el encapsulado, normalmente de plástico, se observa un chaflán en el lado en el que se encuentra el cátodo. Se utilizan como señal visual y en el caso de los infrarrojos en los mandos a distancia. Se fabrican algunos LEDs especiales: LED bicolor.- Están paralelo e inverso. polaridad.

formados por dos diodos conectados Se suele utilizar en la detección

en de

LED tricolor.- Formado por dos diodos LED (verde y rojo) montado con el cátodo común. El terminal más corto es el ánodo rojo, el del centro, es el cátodo común y el tercero es el ánodo verde. Display.- Es una combinación de diodos LED que permiten visualizar letras y números. Se denominan comúnmente displays de 7 segmentos. Se fabrican en dos configuraciones: ánodo común y cátodo común.

Estructura de un LED Estructura de un LED bicolor tricolor

Display de cátodo María José Avilés Conde

Display de ánodo

Display

Disposición de los 73

DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS común

TIPOS DE DIODO común

pines en un display

Luego mediante la ley de Ohm, puede calcularse el adecuado para la tensión de la fuente que utilicemos.

R

resistor

V fuente  V d 1  V d 2  ... I

El término I en la fórmula se refiere al valor de corriente para la intensidad de luminosa que necesitamos. Lo común es de 10 a 20mA. un valor superior puede quemar el LED. Cabe recordar que también pueden conectarse varios en serie, sumándose las diferencias de potencial en cada uno. El Diodo Led se basa en:

El p, es se

negativo de la pila repele a los se encuentran en p con un hueco, electrón libre, al bajar de BC a desprende en forma de luz (fotón

electrones que pasan de n a se recombina con él y ya no BV pierde una energía E que de luz).

Diferencias entre un diodo normal y un LED: 

Diodo normal, E en forma de calor. Diodo LED, E en forma de fotón.(E = h*f, h Planck, f = frecuencia que da color a esa luz).

María José Avilés Conde

=

cte

de

74

DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS 

TIPOS DE DIODO

Diodo normal hecho de silicio. Diodo LED hecho de As, P, Ga y aleaciones entre ellas. Para cada material de estos la distancia de BC y BV es distinta y así hay distintos colores, y mezclándolos se consiguen todos, hasta de luz invisible al ojo humano.

El diodo LED siempre polarizado en directa, y emitirá luz. Podemos usar esto en una fuente de alimentación que hemos dado.

La intensidad del LED:

Normalmente para el valor de 10 mA se suelen encender (ver en el catálogo). La tensión en el LED:

Diferencia con el silicio, la tensión es mayor. Cuando no dice nada se coge V LED = 2 V.

María José Avilés Conde

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DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS

TIPOS DE DIODO

Aquí el diodo LED es un indicador que nos dice si la fuente de alimentación está encendida o apagada. EJEMPLOS DE APLICACIÓN EJEMPLO: TIL 222 LED verde V LED = 1,8: 3 V Hay que ver que luz da, si funciona bien en ese rango valores. Se sacan las intensidades para los 2 extremos:

de

La corriente varía muy poco, lo que implica que la iluminación varía muy poco, está muy bien diseñado. EJEMPLO:

No es muy buen diseño porque la intensidad varía bastante, y la iluminación varía mucho. Conclusión: Los circuitos con tensiones grandes y resistencias grandes funcionan bien, por lo tanto, si se pueden tomar valores grandes. Display de 7 segmentos María José Avilés Conde

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TIPOS DE DIODO

Son 7 diodos LED:

Se utiliza en electrónica digital con + 5 V y 0 V. EJEMPLO: El 7:

En este ejemplo se han encendido los LED A, B y C.

DISPLAY DE LEDs CODIGO

TIPO

POLARIDAD

ALTURA DEL DIGITO

DL727

DOBLE

ANODO COMUN

0.5"(12.7mm) DERECHO

1.65

20

ROJO

8.8.

LITRONIX

1

FND6710

DOBLE

ANODO COMUN

0.56"(14mm)

NO TIENE

1.7

20

ROJO

88

FAIRCHILD

1

TIL808

DOBLE

CATODO COMUN

0.3"(7.62mm) NO TIENE

1.7

20

ROJO

88

TEXAS

1

DL722

DOBLE

CATODO COMUN

0.5"(12.7mm) DERECHO

1.85

20

ROJO

±1.8.

LITRONIX

2

DL728

DOBLE

CATODO COMUN

0.5"(12.7mm) DERECHO

1.65

20

ROJO

8.8.

LITRONIX

1

N583

DOBLE

CATODO COMUN

0.5"(12.7mm) DERECHO

1.7

20

ROJO

8.8.

NATIONAL

3

FCS6400

RELOJ

CATODO COMUN

0.6"(16mm)

COLON

1.7

8

ROJO

88:88

FAIRCHILD

4

4ST50

RELOJ

FLUORESCENTE

6 mm

COLON

1.6

57

VERDE

88:88

FUTABA

5

FND547

SIMPLE ANODO COMUN

0.5"(12.7mm) DERECHO

2.2

20

AMARILLO

8.

FAIRCHILD

6

FND548

SIMPLE ANODO COMUN

0.5"(12.7mm) DERECHO

2.2

20

AMARILLO

±1.

FAIRCHILD

7

DL701

SIMPLE ANODO COMUN

0.3"(7.62mm) NO TIENE

1.6

20

ROJO

±1

LITRONIX

8

DL707

SIMPLE ANODO COMUN

0.3"(7.62mm) IZQUIERDO 1.7

20

ROJO

.8

LITRONIX

9

María José Avilés Conde

PUNTO DECIMAL

VF (V)

IF COLOR (mA)

DIGITO MARCA

FIGURA

77

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TIPOS DE DIODO

MAN71A

SIMPLE ANODO COMUN

0.3"(7.62mm) DERECHO

1.6

20

ROJO

8.

FAIRCHILD

10

MAN72A

SIMPLE ANODO COMUN

0.3"(7.62mm) IZQUIERDO 1.6

20

ROJO

.8

FAIRCHILD

10

MAN73A

SIMPLE ANODO COMUN

0.3"(7.62mm) NO TIENE

1.6

20

ROJO

±1

FAIRCHILD

11

FND350

SIMPLE ANODO COMUN

0.38"(9.6mm) DERECHO

1.7

20

ROJO

8.

FAIRCHILD

9

FND360

SIMPLE ANODO COMUN

0.38"(9.6mm) DERECHO

1.7

20

ROJO

8.

FAIRCHILD

9

FND507

SIMPLE ANODO COMUN

0.5"(12.7mm) DERECHO

1.7

20

ROJO

8.

FAIRCHILD

6

FND508

SIMPLE ANODO COMUN

0.5"(12.7mm) DERECHO

1.7

20

ROJO

±1.

FAIRCHILD

7

FND567*

SIMPLE ANODO COMUN

0.5"(12.7mm) DERECHO

1.7

20

ROJO

8.

FAIRCHILD

6

FND568*

SIMPLE ANODO COMUN

0.5"(12.7mm) DERECHO

1.7

20

ROJO

±1.

FAIRCHILD

7

FND538

SIMPLE ANODO COMUN

0.5"(12.7mm) DERECHO

2.2

20

VERDE

±1.

FAIRCHILD

7

FND541

SIMPLE CATODO COMUN

0.5"(12.7mm) DERECHO

2.2

20

AMARILLO

±1.

FAIRCHILD

7

MAN74A

SIMPLE CATODO COMUN

0.3"(7.62mm) DERECHO

1.6

20

ROJO

8.

FAIRCHILD

10

FND358

SIMPLE CATODO COMUN

0.38"(9.6mm) DERECHO

1.7

20

ROJO

±1.

FAIRCHILD

8

FND501

SIMPLE CATODO COMUN

0.5"(12.7mm) DERECHO

1.7

20

ROJO

±1.

FAIRCHILD

7

FND561*

SIMPLE CATODO COMUN

0.5"(12.7mm) DERECHO

1.7

20

ROJO

±1.

FAIRCHILD

7

FND850

SIMPLE CATODO COMUN

0.8"(20.3mm) IZQUIERDO 1.7

20

ROJO

.8

FAIRCHILD

12

FND531

SIMPLE CATODO COMUN

0.5"(12.7mm) DERECHO

FAIRCHILD

7

2.2

20

VERDE

±1.

* Alta luminosidad

María José Avilés Conde

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María José Avilés Conde

TIPOS DE DIODO

79

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TIPOS DE DIODO

2.3 FOTODIODO

Un fotodiodo es un semiconductor construido con una unión PN, sensible a la incidencia de la luz visible o infrarroja. Para que su funcionamiento sea correcto se polariza inversamente, con lo que se producirá una cierta circulación de corriente cuando sea excitado por la luz. Debido a su construcción, los fotodiodos se comportan como células fotovoltaicas, es decir, en ausencia de luz exterior generan una tensión muy pequeña con el positivo en el ánodo y el negativo en el cátodo. Esta corriente presente en ausencia de luz recibe el nombre de corriente de oscuridad.

El fotodiodo de unión pn polarizada en sentido inverso es un elemento básico para comprender los dispositivos fotosensibles de silicio. Cuando la luz de longitud de onda apropiada es dirigida hacia la unión, se crean pares hueco-electrón que se desplazan a través de la unión debido al campo generado en la región deprimida. El resultado es un flujo de corriente, denominado fotocorriente, en el circuito externo, que es proporcional a la irradiancia efectiva en el dispositivo. El fotodiodo se comporta básicamente como un generador de corriente constante hasta que se alcanza la tensión de avalancha.

María José Avilés Conde

80

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TIPOS DE DIODO

Fotodiodo sensible a la luz con unión pn polarizada inversamente. El fotodiodo exhibe un pico de respuesta en una longitud de onda radiante determinada. Para esta longitud de onda, se produce la máxima cantidad de pares huecos-electrón en la proximidad de la unión. El máximo de la curva de respuesta espectral de fototransistor típico se halla en 850 nm, aproximadamente.

un

La totalidad de los detectores de luz comunes consisten en una unión a fotodiodo y un amplificador. En la mayoría de dispositivos comerciales, la corriente del fotodiodo se halla en el margen comprendido entre el submicroamperio y las decenas María José Avilés Conde

81

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TIPOS DE DIODO

de microamperios, pudiendo añadirse amplificador por un coste mínimo.

a

la

pastilla

un

Recibe luz, al contrario que el led:

El material empleado en la composición de un fotodiodo es un factor crítico para definir sus propiedades. Suelen estar compuestos de silicio, sensible a la luz visible (longitud de onda de hasta 1µm); germanio para luz infrarroja (longitud de onda hasta aprox. 1,8 µm ); o de cualquier otro material semiconductor. Los fotodiodos tienen un sentido normal de circulación corriente, que se llama polarización directa. En ese sentido diodo deja pasar la corriente eléctrica y prácticamente no permite en el inverso: es la base del funcionamiento de diodo.

de el lo un

Pero en el fotodiodo la corriente que está en juego (y que varía con los cambios de la luz) es la que circula en sentido inverso al permitido por la juntura del diodo. Es decir, para su funcionamiento el fotodiodo es polarizado de manera inversa. Se producirá un aumento de la circulación de corriente cuando el diodo es excitado por la luz. Lo que define las propiedades de sensibilidad al espectro de un fotodiodo es el material semiconductor que se emplea en la construcción. Los fotodiodos están construidos de silicio, sensible a la luz visible (longitud de onda de hasta 1,1 µm), de germanio para luz infrarroja (longitud de onda hasta aproximadamente 1,8 µm), y los hay de otros materiales semiconductores.

Material

Longitud de onda (nm)

Silicio

190–1100

Germanio

800–1700

Indio galio arsénico (InGaAs) 800–2600 sulfuro de plomo

280 nm, para comunicaciones entre satélites, que no podrían interferirse desde la Tierra gracias a la presencia del ozono estratosférico. Para trabajar en este rango son necesarios contenidos de Al superiores al 30%, donde es muy difícil depositar contactos óhmicos de calidad razonable. Los fotodiodos MSM, que no precisan de contactos óhmicos, constituyen una prometedora alternativa tecnológica. Además, una ventaja añadida de estos dispositivos es su facilidad de integración con transistores de efecto campo. Los fotodiodos de unión p-n y p-i-n basados en Al xGa 1-xN son lineales con la potencia óptica y presentan un contraste UV/visible de 10 4. Sin embargo, su tiempo de respuesta suele estar limitado por el comportamiento de los centros relacionados con el dopante tipo p (Mg), que también pueden deteriorar la respuesta espectral. Por otra parte, la longitud de onda de corte mínima que puede alcanzarse con estos dispositivos está limitada por la dificultad de conseguir conducción tipo p en Al x Ga 1-x N con contenidos de Al superiores al 15%.

María José Avilés Conde

90

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TIPOS DE DIODO

Aunque los resultados son prometedores, resulta todavía necesario un esfuerzo investigador en el dopaje tipo p del Al xGa 1-xN para mejorar las prestaciones de estos detectores. Algo que se ha utilizado en favor de la técnica electrónica moderna es la influencia de la energía luminosa en la ruptura de los enlaces de electrones situados en el seno constitutivo de un diodo. Los fotodiodos no son diodos en los cuales se ha optimizado el proceso de componentes y forma de fabricación de modo que la influencia luminosa sobre su conducción sea la máxima posible. Esto se obtiene, por ejemplo, con fotodiodos de silicio en el ámbito de la luz incandescente y con fotodiodos de germanio en zonas de influencia de luz infrarroja. Los fotodiodos sensibles a la infrarrojo.

de avalancha son detectores radiación visible, ultravioleta

de silicio, y parte del

La característica más importante, es que mediante la aplicación de un potencial externo, se obtiene amplificación de la señal de hasta 400 veces. Desarrollos recientes del Laboratorio incluyen fotodiodos de avalancha de tamaño grande (1 x 1 cm 2 ) y redes de detectores de avalancha ( 3 x 3 elementos), del tipo difusión profunda. Nuestro interés es desarrollar detectores con eficiencia cuántica alta en la región del ultravioleta, redes con gran número de elementos, (10 - 100), alta ganancia y bajo ruido. También estamos interesados en las aplicaciones de estos detectores para equipos de Tomografía Computarizada de Positrones y sistemas Lidar. Es posible incorporar un tipo de sistema amplificador de empleo común formando parte del propio fotodiodo. El fotodiodo de avalancha utiliza la multiplicación por avalancha para conseguir amplificar la fotocorriente creada por los pares hueco-electrón. Esto proporciona una elevada sensibilidad y gran rapidez. Sin embargo, el equilibrio entre ruido y ganancia es difícil de conseguir y como consecuencia, el costo es alto. Asimismo la estabilidad de temperatura es deficiente y se requiere una tensión de alimentación de valor elevado (100-300V), estrechamente controlada. Por estas razones, el fotodiodo de avalancha tiene limitadas aplicaciones.

María José Avilés Conde

91

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TIPOS DE DIODO

EFECTO FOTOVOLTAICO No existe ninguna diferencia esencial entre la estructura básica de una célula solar y la de un fotodiodo. Desde el punto de vista de la aplicación, la única diferencia está en que en el fotodiodo se busca el máximo de linealidad y el mínimo tiempo de respuesta y ruido mientras que en la célula solar se busca obtener el máximo de energía y rendimiento.

IL

El efecto fotovoltaico se produce en ambos casos al iluminar la barrera de potencial existente entre las zonas p y n. La figura muestra el esquema de banda de una unión p-n bajo iluminación. En ausencia de iluminación, el equilibrio térmico se alcanza mediante intercambio de portadores mayoritarios, lo que conlleva la aparición de una zona de carga de espacio y de un campo eléctrico interno que se opone al movimiento de los portadores mayoritarios. El equilibrio térmico se alcanza cuando la corriente de arrastre originada por el campo de la unión compensa la corriente de difusión. Cuando se ilumina una unión p-n con una radiación de energía superior a la banda prohibida del semiconductor, se rompe el equilibrio térmico. La existencia de una barrera que favorece el movimiento de los portadores minoritarios hace que aquellos portadores minoritarios que lleguen a la barrera sean arrastrados por el campo y generen una corriente I L en el circuito exterior (o una d.d.p. si el dispositivo está en circuito abierto). María José Avilés Conde

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El diodo bajo iluminación será pues equivalente a un diodo en paralelo con una fuente de corriente de valor I L (que dependerá del flujo luminoso incidente y de los parámetros del dispositivo). Si en la oscuridad la característica I(V) del diodo es: eV

I(V) = I s ( e kT 1) bajo la iluminación será eV

I(V) = I s (e kT  1)  I L

0

RL

Definimos la intensidad de cortocircuito como I CC  I (0)   I L y la tensión de circuito abierto como

V CA = V(I = 0) =

kT ln( I L + 1) e Is

La intensidad Icc será en general proporcional al flujo luminoso y dependerá de la superficie del diodo y de su respuesta espectral. Se suelen fabricar dispositivos con una zona n muy delgada (y muy dopada) que apenas contribuye a la fotocorriente. Habrá pues dos contribuciones, la de la zona de agotamiento, de anchura W, y la de la zona P. Si en el fotodiodo buscamos una respuesta lineal, deberemos trabajar en condiciones de polarización inversa, tal como se muestra en la figura. En

esas condiciones la corriente inversa generada por la tensión de polarización sería -I S y seria despreciable frente a la fotocorriente y, por tanto, la tensión en la resistencia será proporcional a I L . El diodo se mantendrá en polarización negativa mientras la ddp en la resistencia (I L R L) sea inferior a la fuerza electromotriz de la pila  0 ).

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CARACTERÍSTICAS CORRIENTE OSCURA: Es la corriente cuando no existe luz incidente.

en

inversa

del

fotodiodo

SENSIBILIDAD: Es el incremento de intensidad al polarizar el dispositivo en inversa por unidad de intensidad de luz, expresada en luxes. GEOMETRIA: Presenta una construcción análoga a la de un diodo LED APLICACIONES -

Fotómeros

-

Comunicaciones

-

Control de iluminación y brillo

-

Control remoto por infrarrojos

-

Monitorización

de

llamas

de

gas

y

de

petróleo

(radiación

ultravioleta centrada en la banda de 310nm) -

Enfoque automático y control de exposición en cámaras

Cuando son combinados con alguna fuente de luz: Codificadores de posición -

Medidas de distancia

-

Medidas de espesor

-

Transparencia

-

Detectores de proximidad y de presencia

-

Sensado de color para inspección y control de calidad

Cuando se hace un "array" o arreglo de sensores: - Reconocimiento de formas - Lectores de tarjetas codificadas

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Algunos ejemplos más cotidianos de su aplicación: -

En la aplicación de la figura 7 el fotodiodo se emplea en un sistema de alarma. La corriente inversa continuará fluyendo mientras el rayo de luz no se corte. En este caso la corriente inversa caerá al nivel de la corriente de oscuridad y hará sonar la alarma.

-

En la aplicación de la figura 8 se usa un fotodiodo para contar artículos en una banda transportadora. Cuando pasa cada artículo, el rayo de luz corta y la corriente inversa cae a nivel de corriente de oscuridad y el contador aumenta en uno.

NOTA: Se comercializan fotodiodos con amplificadores, compensación de temperatura y estabilización en el mismo chip. La integración reduce los problemas debidos a corrientes de fuga, interferencias y picos de ganancia debidos a capacitancias parásitas.

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F O T O D I O D O S CODIGO

TENSION CORRIENTE DE DE CORTOCIRCUITO CIRCUITO I SC

(1)

BP104

(2)

BPW43 BPW24R

EN OSCURIDAD

ABIERTO Voc (V)

I d (max) (nA)

47

0.35

2

38

0.35

2

6

0.32

1

55

0.45

(µA)

BPW34

CORRIENTE TIEMPO DE CONMUTACION

2

tr , tf (nS) 100

ANGULO DE PICO DE MEDIA RESPUESTA ENCAPSULADO SENSIBILIDAD ESPECTRAL (°) (nm)

FIGURA

± 65

900

DIL-2

1

100

± 65

950

DIL-2

1

4

± 25

900

5 mm

2

7

± 12

900

TO-18

3

(1) E e = 1mW/cm 2 (2) CON FILTRO INFRA-ROJO

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2.4 DIODO TÚNEL

Es un diodo pn que utiliza el efecto túnel. La característica directa de un diodo túnel presenta una región de resistencia negativa como indica la figura (a) siguiente que puede aprovecharse para construir un oscilador, un interruptor electrónico o en amplificadores de bajo nivel de ruido a frecuencias inferiores a 1.000 MHz. El símbolo gráfico de un diodo túnel se muestra en la figura (b).

Fig. (a) Característica de un diodo túnel (línea continua) y un diodo normal (línea discontinua) y (b) símbolo gráfico de un diodo túnel.

La presencia del tramo de resistencia negativa permite su utilización como componente activo (amplificador / oscilador. En 1958, el físico japonés Esaki, descubrió que los diodos semiconductores obtenidos con un grado de contaminación del material básico mucho mas elevado que lo habitual exhiben una característica tensión-corriente muy particular. La corriente comienza por aumentar de modo casi proporcional a la tensión aplicada hasta alcanzar un valor máximo, denominado corriente de cresta. A partir de este punto, si se sigue aumentando la tensión aplicada, la corriente comienza a disminuir y lo siga haciendo hasta alcanzar un mínimo, llamado corriente de valle, desde el María José Avilés Conde

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cual de nuevo aumenta. El nuevo crecimiento de la corriente es al principio lento, pero luego se hace cada vez mas rápido hasta llegar a destruir el diodo si no se lo limita de alguna manera. Este comportamiento particular de los se debe a lo que los físicos denominan nos ocuparemos aquí debido a su aplicaciones prácticas del diodo interesante de su curva característica la cresta y el valle.

diodos muy contaminados efecto túnel, del que no complejidad. Para las túnel, la parte mas es la comprendida entre

En esta parte de la curva a un aumento de la tensión aplicada corresponde una disminución de la corriente; en otros términos, la relación entre un incremento de la tensión y el incremento resultante de la corriente es negativa y se dice entonces que esta parte de la curva representa una "resistencia incremental negativa".

Una resistencia negativa puede compensar total o parcialmente una resistencia positiva. Así, por ejemplo, las pérdidas que se producen en un circuito resonante a causa de la presencia siempre inevitable de cierta resistencia en el, se compensa asociando al circuito una resistencia negativa de valor numérico conveniente y realizada por ejemplo, mediante un diodo túnel. En tal caso el circuito oscilante se transforma en un oscilador. Los ejemplo de circuito que se describen a continuación muestra como puede aprovecharse este fenómeno en la práctica. Cuando la resistencia es negativa, la corriente disminuye al aumentar el voltaje. En consecuencia, el diodo túnel puede funcionar como amplificador, como oscilador o como biestable.

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Esencialmente, este diodo es un dispositivo de baja potencia para aplicaciones que involucran microondas y que están relativamente libres de los efectos de la radiación. El diodo Túnel se comporta de una manera muy interesante conforme se va aumentando la tensión aplicada en sentido directo. En el diagrama a la derecha se puede ver el símbolo del diodo Túnel Cuando se aplica una pequeña tensión, conducir (la corriente empieza a fluir).

el

diodo

empieza

a

Si se sigue aumentando esta tensión la corriente aumentará hasta llegar un punto después del cual la corriente disminuye. La corriente continuará disminuyendo hasta llegar al punto mínimo de un "valle" y después volverá a incrementarse. En esta ocasión la corriente continuará aumentando conforme aumenta la tensión. Este comportamiento de la corriente en función de la tensión en el diodo túnel se puede ver en el siguiente gráfico.

-

Vp: Vv: Ip: Iv:

Tensión pico Tensión de valle Corriente pico Corriente de valle

La región en el gráfico en que la corriente disminuye cuando la tensión aumenta (entre Vp y Vv) se llama "zona de resistencia negativa". El diodo túnel está más contaminado que el diodo zener, provocando que la zona desértica sea más pequeña. Esto aumenta la velocidad de operación, por lo que el diodo túnel es útil en aplicaciones de alta velocidad. Conforme aumenta la polarización directo, la corriente aumenta con mucha rapidez hasta que se produce la ruptura.

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Entonces la corriente cae rápidamente. El diodo túnel es útil debido a esta cesión de resistencia negativa. La región de resistencia negativa de un diodo túnel se desarrolla de manera característica en el intervalo de 50 mV a 250 mV. Los diodos túnel tienen la cualidad de pasar entre los niveles de corriente Ip e Iv muy rápidamente, cambiando de estado de conducción al de no conducción incluso más rápido que los diodos Shottky. Desgraciadamente, este tipo de diodo no se puede utilizar como rectificador debido a que tiene una corriente de fuga muy grande cuando están polarizados en reversa. Estos dispositivos pueden realizar funciones de circuitos complejos con un reducido número de transistores y componentes pasivos. Las estructuras básicas y principios de funcionamiento de los dispositivos QED y HED se estudian en este tema.

En el diodo túnel (arriba) los electrones, en exceso en la porción de semiconductor drogado “n” (negativo), tienden a migrar hacia el semiconductor drogado “p” (positivo), atraídos por la falta de electrones. Este traslado de cargas negativas de “n” a “p” corresponde, en un circuito, al paso de corriente en el sentido inverso, del polo positivo al negativo. El mismo símbolo del diodo (abajo) dirección de flujo de la corriente.

indica

claramente

la

El diodo túnel es una juntura PN en la cual ambos tipos de semiconductor se encuentran fuertemente dopados, de modo que el nivel de Fermi EF se encuentra fuera (EG).

de la banda prohibida

La Figura 4 muestra el diagrama de bandas de energía a circuito abierto y en equilibrio térmico.

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Principio de funcionamiento El diodo túnel en si funciona mediante como el principio de un pulsador que enciende la luz mientras esta pulsado y la apaga cuando está suelto. Al principio se empieza ha hacer presión en el pulsador y este se va desplazando lentamente, sin que se encienda la luz, hasta que llega un momento en que su mecanismo se dispara, y avanza repentinamente sin esfuerzo (zona de resistencia negativa del diodo túnel) y la luz se enciende. Si soltamos lentamente, al principio la luz sigue encendida hasta que llega un momento en que cambia de estado y se apaga. La gracia del diodo túnel es que esa conmutación entre los dos estados se produce rapidísimamente y por eso una onda senoidal se convierte en una onda cuadrada muy abrupta. Un diodo túnel corriente conmuta en 600ps mientras que un túnel rápido lo hace en menos de 20 ps. La corriente comienza por aumentar de modo casi proporcional a la tensión aplicada hasta alcanzar un valor máximo, denominado corriente de cresta. A partir de este punto, si se sigue aumentando la tensión aplicada, la corriente comienza a disminuir y lo siga haciendo hasta alcanzar un mínimo, llamado corriente de valle, desde el cual de nuevo aumenta. El nuevo crecimiento de la corriente es al principio lento, pero luego se hace cada vez mas rápido hasta llegar a destruir el diodo si no se lo limita de alguna manera.

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Este comportamiento particular de los diodos muy contaminados se debe a lo que los físicos denominan efecto túnel, del que no nos ocuparemos aquí debido a su complejidad. Para las aplicaciones prácticas del diodo túnel, la parte mas interesante de su curva característica es la comprendida entre la cresta y el valle. En esta parte de la curva a un aumento de la tensión aplicada corresponde una disminución de la corriente; en otros términos, la relación entre un incremento de la tensión y el incremento resultante de la corriente es negativa y se dice entonces que esta parte de la curva representa una "resistencia incremental negativa". Generador de pulsos ultracortos. Quien haya trabajado en circuitos de vídeo de y de gran ancho de banda sabrá que la forma mas rápida de saber la frecuencia de corte superior de un circuito es medir su tiempo de subida con el osciloscopio. Para ello se aplica una onda cuadrada a la entrada y se mide el tiempo que tarda en cambiar del 10 % al 90 % de valor máximo. La frecuencia de corte superior ( para una caída de 3 dB) en función del tiempo de subida es: F (Mhz) = 350 / Ts (ns) Para saber la frecuencia de corte superior dividimos 350 por el tiempo de subida amplificador con una frecuencia de corte de tiempo de subida de 35 ns, y un tiempo de corresponderá a una frecuencia de corte de 350

en megahertzios en ns. Asi un 10 Mhz tiene un subida de 1 ns Mhz.

Para que estas medidas sean correctas la onda cuadrada que se introduce a la entrada debe tener un tiempo de subida menor que la del dispositivo que se pretende medir. Por ello si se pretende trabajar a frecuencias por encima de los 25 Mhz es conveniente un generador con tiempos de subida del orden del ns. Estos dispositivos si son comerciales son lo bastante caros como para no ser accesible para un aficionado.

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Por ello he desarrollado este simple accesorio que aplicándoselo a la salida de un generador de señales de BF nos permite obtener pulsos u ondas cuadradas con tiempos de subida inferiores a 1ns. Este montaje tan solo tiene el truco de emplear un semiconductor que hoy pertenece casi casi al recuerdo. Se trata de un diodo túnel.

Esquema del circuito. Como se puede ver el circuito es tremendamente simple. El diodo empleado es un 1N3716 de General Electric, es un diodo de uso general y bastante corriente. Seguramente que con cualquier otro diodo funcionara también. Para construirlo basta con soldar tres conectores hembra BNC de 50 ohmios a una placa de circuito impreso y soldar los componentes. Con un generador de funciones inyectamos una señal sinusoidal en J1, ajustado un poco el nivel enseguida se obtiene en J2 una señal de pulsos y en J3 una señal cuadrada. Hay que tener en cuenta que este circuito esta pensado para atacar cargas de 50 ohmios. Es caso de que se quieran ver las señales con alta impedancia se deberían soldar sendas resistencias de 50 ohmios en J2 y J3. Al ajustar la frecuencia del generador ajustamos la de los pulsos. Si no tenemos un generador podemos construir cualquier oscilador con un 555 y aplicarla. Tan solo conectar un potenciómetro a la salida para ajustar el nivel. Característica I-V Para una pequeña polarización directa, los niveles de energía del lado N se mueven hacia arriba con respecto al lado P, Figura 5 a). Estados ocupados en la banda de conducción (BC) del lado N quedan frente a estados vacíos de la misma energía María José Avilés Conde

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en la banda de valencia (BV) del lado P y los electrones pueden pasar del lado N al P por efecto túnel. La figura 5 b) muestra las condiciones de polarización nula, punto 1 de la característica I-V, y una pequeña polarización directa, punto 2.

Aumentando el valor de la polarización directa aplicada, el número máximo de electrones que pueden pasar al lado P atravesando la barrera es igual al máximo de estados vacíos, Figura 6 a), circulando la corriente pico Ip, punto 3, Figura 6 b).

Al aumentar aún más la polarización directa aplicada, el número de electrones enfrentados a estados vacíos de la banda de valencia se hace menor, Figura 7 a), y la corriente por efecto túnel disminuye, punto 4, Figura 7 b).

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Finalmente, aumentando más la polarización directa ya no hay estados permitidos vacíos frente a estados llenos del otro lado, Figura 8 a) y la corriente por efecto túnel cae a cero, punto 5, Figura 8 b). La porción de la característica I-V en la cual la corriente decrece presenta una resistencia diferencial negativa, aunque esa región suele ser muy pequeña, entre los puntos 3 a 5 de la Figura 8 b).

Además de la corriente por efecto túnel existe una corriente propia de la juntura PN que predomina para valores mayores de la polarización directa. La característica I-V total se obtiene sumando las dos corrientes, Figura 9.

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La característica I-V total se muestra en la Figura 10.

Ip: corriente de pico, la pendiente de la característica I-V cambia de positivo a negativo Vp: tensión de pico, correspondiente a Ip Iv: corriente de valle, la pendiente de la característica IV cambia de negativo a positivo

Vv: tensión de correspondiente a Iv

valle,

La figura 11 a) muestra el símbolo esquemático y la Figura 11 b) el circuito equivalente del diodo túnel.

donde: Rj 

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dV - Rs dI

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dV/dI: inversa de la pendiente de la característica I-V Rs: resistencia serie del diodo Cj: capacidad de la juntura Ls: inductancia serie, depende de los terminales y de la geometría del dispositivo Se puede encontrar una relación empírica que represente la característica I-V:   

  V   I  Ip   e  Vp 

1-

V   Vp 

V  Is e VT

En el primer término Ip y Vp son la corriente y la tensión en el punto de pico, y el segundo término representa la característica de una juntura PN normal. La resistencia diferencial negativa puede obtenerse derivando el primer término de la ecuación anterior: 

dI  R   dV 

1





 

 V    - 1   Vp  

 

 I e Ip

1-

1

V    Vp    

Los diodos túnel generan las características activas por medio de un mecanismo de retroalimentación interna que involucra el entunelamiento de electrones entre bandas de energía en semicundcutores altamente dopados. Este entunelamineto provoca que cuando se tienen la polarización adecuada, se tengan características de resistencia negativa similares a las del diodo Gunn. A los diodos túnel y Gunn se les conoce como dispositivos tipo TED (dispositivos de transferencia de electrones). Estos dispositivos tienen la característica de que a ciertos niveles de voltaje (determinado campo eléctrico), sus características de velocidad de carga de electrones es esencialmente dependiente de la resistencia y por lo tanto pueden operar a altas frecuencias. Diodo túnel resonante Actualmente se está desarrollando una nueva generación de dispositivos basados en efectos cuánticos, donde los electrones pueden atravesar barreras de potencial aún cuando clásicamente no podrían hacerlo. Estos dispositivos de efecto cuántico son más rápidos y consumen menos potencia que los convencionales.

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En este sentido, los dispositivos basados en el efecto túnel resonante en heteroestructuras semiconductoras han sido muy estudiados debido a su posible aplicación en diseños electrónicos ultrarrápidos. Consisten en una lámina delgada de GaAs (10-50Å) colocada entre dos láminas de Al 1-x Ga xAs, donde x se suele escoger entre 0.3 y 0.5. El conjunto se encuentra en contacto con GaAs altamente dopado, como indica la Figura 1 .

Figura 1: Dispositivo cuántico para estudiar el efecto túnel resonante. Dado que la estructura de bandas en ambos semiconductores es diferente, se produce un desajuste entre los bordes de las bandas de conducción -y también de las de valencia-, de forma que los electrones que intentan pasar de uno a otro semiconductor se encuentran con una barrera de potencial, como aparece en la Figura 2 (a). El ancho de la barrera se elige de manera que los electrones en el GaAs no puedan atravesarla fácilmente por efecto túnel, a menos que su energía E coincida con E 0 , que es la energía de los electrones confinados en la lámina intermedia de GaAs (efecto túnel resonante). Habitualmente la energía E es una cantidad fija en cada dispositivo y coincide con la energía de Fermi, E F. Para producir el efecto túnel resonante entonces hay que variar el nivel E 0 , y esto se puede lograr aplicando una diferencia de potencial en el dispositivo, como aparece indicado en la Figura 2 (b). De esta manera, al ir variando la diferencia de potencial V, deberemos observar un máximo muy acentuado de la corriente que María José Avilés Conde

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DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS atraviesa el resonancia.

dispositivo

TIPOS DE DIODO cuando

estemos

en

condiciones

de

Para explicar cuantitativamente este comportamiento debemos evaluar el coeficiente de transmisión para los electrones, ya que la corriente túnel a nivel de Fermi es proporcional a dicho coeficiente cuando la temperatura es muy baja y no existen otros mecanismos de dispersión, como los fonones o los defectos de la heteroestructura. Una forma de evaluar el coeficiente de transmisión es resolver la ecuación de Schrödinger para el potencial de la Figura 2 , utilizando la aproximación de masa efectiva. Encontrar la solución exacta cuando se aplica un campo eléctrico constante, no obstante, es una tarea laboriosa ya que aparecen las funciones de Airy. Por ello algunos autores utilizan la aproximación WKB, pero ésta sólo es válida si el potencial varía lentamente en distancias del orden de la longitud de onda del electrón. La forma entonces de obtener unos resultados fiables de manera sencilla es recurrir al cálculo numérico.

Figura 2: Perfil del borde de la banda de conducción en el dispositivo de efecto cuántico (a) sin voltaje y (b) con voltaje aplicado. E denota la energía del electrón incidente y E 0 la energía del nivel del pozo.

Consideremos la ecuación de Schrödinger con el potencial de la Figura 2 , y supondremos que existe un campo eléctrico uniforme aplicado al dispositivo y que el momento transversal del electrón es nulo, (1)

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donde m* es la masa efectiva del electrón -admitiremos que la masa efectiva es la misma en las distintas regiones del dispositivo- y L es la anchura total de las dos barreras y el pozo de potencial (llamado pozo cuántico). La diferencia de energía potencial entre ambos contactos es V. Las energías y los potenciales están referidos al borde de la banda de conducción al lado izquierdo de las barreras. V(z)es el potencial en el dispositivo sin polarizar, que es nulo en GaAs y vale V 0 = 0.25eV en el Al 1-x Ga xAs, para una concentración de Al del 30%. Para resolver numéricamente esta ecuación dividimos el intervalo [0,L] en N segmentos iguales de longitud s=L/N, y definimos z n =ns, donde n es un número entero. La versión discretizada de la ecuación (1 ) resulta ser (2)

Esta ecuación puede ser resuelta recursivamente empleando la matriz de transferencia , y obtener así el coeficiente de transmisión en función de la energía para cada potencial aplicado, T(E,V). Una vez calculado dicho coeficiente, se puede determinar la corriente mediante la expresión (3)

donde la integral se calcula numéricamente mediante la regla del trapecio. APLICACIONES Así estos diodos sólo encuentran aplicaciones reducidas como en circuitos osciladores de alta frecuencia. 

Al ser un elemento en el cual no hay un proceso de almacenamiento se lo puede ocupar en aplicaciones de alta velocidad como puede ser: La transmisión de datos, etc.

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2.5 DIODO VARACTOR

Todos los diodos cuando están polarizados en sentido opuesto tienen una capacitancia que aparece entre sus terminales. Los diodos varactores han sido diseñados de manera que su funcionamiento sea similar al de un capacitor y tengan una característica capacitancia-tensión dentro de límites razonables.

Representación del diagrama de un varactor En el siguiente gráfico se muestra las similitudes entre un diodo y un capacitor. Debido a la recombinación de los portadores en el diodo, una zona de agotamiento se forma en la juntura.

Esta zona de agotamiento actúa como un dieléctrico (aislante), ya que no hay ninguna carga y flujo de corriente. Las áreas exteriores a la zona de agotamiento si tienen portadores de carga (área semiconductor). se puede visualizar sin dificultad la formación de un capacitor en el diodo (dos materiales semiconductores deparados por un aislante).

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TIPOS DE DIODO

La amplitud de la zona de agotamiento se puede ampliar incrementando la tensión inversa aplicada al diodo con una fuente externa. Esto causa que se aumente la separación (aislante) y separa más las áreas semiconductoras. Este último disminuye la capacitancia. Son diodos que basan su funcionamiento en el principio que hace que la anchura de la barrera de potencial en una unión PN varia en función de la tensión inversa aplicada entre sus extremos. Al aumentar dicha tensión, aumenta la anchura de esa barrera, disminuyendo así la capacidad del diodo. De este modo se obtiene un condensador variable controlado por tensión. Los valores de capacidad obtenidos van desde 1 a 500pF. La tensión inversa mínima tiene que ser de 1v. La aplicación de estos diodos se encuentra en la sintonía de TV, modulación de frecuencia en transmisiones de FM y radio, sobre todo. Entonces la capacitancia es función de la tensión aplicada al diodo. Si la tensión aplicada al diodo aumenta la capacitancia disminuye. Si la tensión disminuye la capacitancia aumenta.

Símbolo del diodo varactor

Su modo de operación depende de la capacitancia que existe en la unión P-N cuando el elemento está polarizado inversamente. En condiciones de polarización inversa, se estableció que hay una región sin carga en cualquiera de los lados de la unión que en conjunto forman la región de agotamiento y definen su ancho Wd. La capacitancia de transición (CT) establecida por la región sin carga se determina mediante: CT = E (A/Wd) donde E es la permitibilidad de los materiales semiconductores, A es el área de la unión P-N y Wd el ancho de la región de agotamiento. Conforme aumenta el potencial de polarización inversa, se incrementa el ancho de la región de agotamiento, lo que a su vez reduce la capacitancia de transición. El pico inicial declina en CT con el aumento de la polarización inversa. El María José Avilés Conde

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intervalo normal de VR para diodos varicap se limita aproximadamente 20V. En términos de la polarización inversa aplicada, la capacitancia de transición se determina en forma aproximada mediante: CT = K / (VT + VR)n donde: K = constante determinada por el material semiconductor y la técnica de construcción. VT = potencial en la curva según se definió en la sección VR = magnitud del potencial de polarización inversa aplicado n = 1/2 para uniones de aleación y 1/3 para uniones de difusión Los relámpagos, los fallos en la red eléctrica, etc., pueden afectar a la tensión de red superponiendo valles, picos y otros transitorios a los 120 V rms norma les. Los valles son caídas de tensión bruscas que duran microsegundos o me nos. Los picos son sobre tensiones de duración muy corta, de hasta 2.000 V o más. En algunos equipos se usan filtros entre la Línea y el primario del transformador para eliminar los problemas ocasionados por los transitorios de la línea. 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 varistores se fabrican con un material no-homogéneo. (Carburo de silicio). Se usa especialmente en los circuitos sintonizadores de televisión y los de receptores de radio en FM. Cuando existen materiales de tipo p y de tipo n juntos en un cristal, se producen una redistribución de carga. Algunos de los electrones libres del material n migran a través de la unión y se combinan con huecos libres en el material p. De la misma forma, algunos de los huecos libres de material p se mueven a través de la unión y se combinan con electrones libres en el material n. Como resultado de esta redistribución de carga, el material p adquiere la carga negativa neta y el material n obtiene una carga positiva neta.

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Estas cargas crean un campo eléctrico y una diferencia de potencial entre los dos tipos de material que inhibe cualquier otro movimiento de carga. El resultado es una reducción en el número de portadores de corriente cerca de la unión. Esto sucede en un área conocida como región desértica. Estampó eléctrico resultante proporciona una barrera de potencial, o colina, en una dirección que inhibe la migración de portadores a través de la unión. Relación entre la corriente y la tensión en un diodo existe una relación exponencial entre la corriente del diodo y en potencial aplicado. La relación se describe por medio de la ecuación (1.1).

Los términos de la ecuación (1.1) se definen como sigue: ID = corriente en el diodo vD = diferencia de potencial a través del diodo I0 = corriente de fuga q = carga del electrón: 1.6 x 10-19 coulombs k = constante de Boltzman 1.38 x 10-23 J/° k T = temperatura absoluta en grados kelvin n = constante empírica entre 1 y 2 La ecuación (1.1) se puede simplificar definiendo

Esto da

(1.2)

Si se opera a temperatura ambiente (25° c) y solo en la región de polarización en directo, entonces predomina el primer termino en el parentesis y la corriente está dada aproximadamente por María José Avilés Conde

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TIPOS DE DIODO

(1.3)

La corriente de saturación inversa, I0, es función de la pureza del material, de la combinación y de la geometría del diodo. La constante empírica, n, es un número propiedad de la construcción del diodo y puede variar de acuerdo con los niveles de trensión y de corriente. Aunque las curvas para la región en directo mostrados en la figura 1.15 recuerdan una línea recta, se sabe que la línea no es recta, ya que sigue una relación exponencial, esto significa que la pendiente de la línea se modifica conforme cambia i D. Se puede diferenciar la expresión de la ecuación (1.) para encontrar la pendiente en cualquier iD dada:

(1.4)

La temperatura tiene un papel importante en la determinación de las características operacionales de los diodos. Conforme aumenta la temperatura, disminuye la tensión de encendido Vg . Por otra parte, un descenso en la temperatura provoca un incremento en Vg . Esto se ilustra en la figura 1.16. Aquí Vg varia linealmente con la temperatura de acuerdo con la siguiente ecuación (se supone que la corriente del diodo, iD, se mantiene constante):

donde: T0 = temperatura ambiente T1 = temperatura del diodo Vg (T0) = tension del diodo a temperatura ambiente Vg (T1) = tension del diodo a la nueva temperatura k = coeficiente de temperatura en V/° c

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Los diodos de unión perenne normales exhiben capacitancia cuando se operan en modo de polarización inversa el diodo varactor se fabrica específicamente para operar en este modo. La capacitancia es una función de la inversa de tensión. Por tanto, el diodo actúa como capacitor variable, donde el valor de la capacitancia es una función de la tensión de entrada. Un uso común de este diodo es en el oscilador controlado por tensión (VCO).

CARACTERÍSTICAS: 

Amplia gama de voltajes - desde 14 V a 550 V (RMS). Esto permite una selección fácil del componente correcto para una aplicación específica.



Alta capacidad de absorción dimensiones del componente.



Tiempo de respuesta de menos de 20 ns, transitorio en el instante que ocurre.



Bajo consumo (en stand-by) - virtualmente nada.



Valores bajos de capacidad, lo que hace al varistor apropiado para la protección de circuitería en conmutación digital.



Alto grado de aislamiento.

de

energía

respecto

a

absorbiendo

las el

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 cortocircuitos o

María José Avilés Conde

que el ruptura

especificado del propio

puede ocasionar componente; se 116

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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: 

La amplitud de la corriente.



El voltaje correspondiente al pico de corriente.



La duración del impulso.

 

El tiempo de bajada del impulso; la energía que se disipa durante el tiempo entre 100% y 50% del pico de corriente. La no linealidad del varistor.

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) María José Avilés Conde

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Uno de los dispositivos empleados para el filtrado en la línea es el varistor (también llamado supresor de transitorios). Este dispositivo semiconductor equivale a dos diodos zener opuestos con una gran tensión de ruptura en ambas direcciones. Los varistores se encuentran comercialmente con tensiones de ruptura entre 0 y 1 .000 V. Pueden manejar corrientes transitorias de pico de cientos o miles de amperios. Por ejemplo, el VI 30LA2 es un varistor con una tensión de ruptura de 84 V (equivalente a 130 V rms) y una limitación de corriente de pico de 400 A. Conectando uno de éstos en el arrollamiento primario, no habrá por qué preocuparse de los picos. El varistor recortara todos los picos al nivel de los 184 V y protegerá su fuente de alimentación. APLICACIONES La aplicación mas importante es en los sintonizadores de canales, utilizados tanto en videos, como en los televisores actuales. Las bandas que se pueden sintonizar son: - BANDA I o VL

Canales bajos de VHF

DE

47

- BANDA III o VHF

Canales altos

DE

174

- BANDA V o UHF

Canales altos

de VHF

A A

68

MHZ

230

MHZ

DE 470 A 854 MHZ

Los varactores son los elementos de sintonía más estables. Es difícil comprar condensadores mecánicamente y termalmente estables.

variables

que

sean

Collins Radio hace años sintonizaba sus OFVs con bobinas sintonizadas con núcleos de polvo de hierro especiales, pero nunca he visto ninguno a la venta. Un diodo varicap controlado con un potenciómetro de calidad es una buena solución a estos problemas. Los varicaps son un tipo de diodos de silicio polarizados con tensión continua. En mi experiencia los varicaps son de un orden de magnitud más estables termalmente que los condensadores variables. Y son al menos dos órdenes de magnitud más estables mecánicamente. Puedes golpear el OFV con tu mano y, aunque otros componentes pueden vibrar, el varactor no cambiará su capacidad.

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Desafortunadamente, los varicaps producen una escala no lineal en el botón de sintonía. Esto significa que tienen mucho recorrido en el extremo alto de frecuencia mientras que el extremo bajo puede estar comprimido en unos pocos grados de rotación. Para ser usable, compensar.

el

potenciómetro

debe

ser

no

lineal

para

Sintonía por varactor

Cuando construía un nuevo receptor, tuve que construir otro OFV. En este prototipo exploré el sustituir el condensador variable con varicaps (varactores). Las uniones P-N polarizadas en inversa bloquean el flujo de la carga eléctrica como si fueran condensadores. No sólo actúan como condensadores, cuando se polarizan en inversa son condensadores. Lo interesante de este comportamiento es que polarizándolos con una tensión continua, digamos de 0 a 10 voltios, la capacidad puede ser variada como en un condensador variable. Cuanto mayor sea la tensión de polarización, los iones del semiconductor se usan y la carga que puede almacenar disminuye. En otras palabras, los diodos de unión PN cambian su capacidad inversamente proporcional a la tensión de polarización. Los varactores son condensadores variables por tensión. Un OFV sintonizado por varactor. El ajusta la tensión sobre el varactor. María José Avilés Conde

potenciómetro

redondo

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Las ventajas de la sintonía por varactor son: 1. Los varactores son estables mecánicamente. Suponiendo que el potenciómetro que polariza tu varactor es estable mecánicamente, entonces el OFV resultante será mecánicamente estable. Puedes golpear la mesa con tu puño y la frecuencia apenas vibrará en el receptor. Con mis OFVs a condensador variable, dar una palmada en la mesa es casi una manera práctica para cambiar la frecuencia. 2. Los varactores son más estables en temperatura que los condensadores variables. Probando un circuito de OFV con condensador variable con un secador de pelo, encontré que el flujo de aire caliente sobre la placa del circuito hacía derivar la frecuencia cientos de Hz, a veces incluso KHz. Cuando le doy el mismo tratamiento a mi OFV a varactor, el cambio de frecuencia es mucho menor. 3. Los varactores son fáciles de conseguir. Los buenos condensadores variables de sintonía son difíciles de conseguir, aunque a veces RF Parts Co. tiene condensadores usables en stock. En contraste, los varactores siempre pueden conseguirse de Digikey, Mouser y otras compañías. 4. Los varactores son muy pequeños. Algunos de los que he usado son del tamaño de un grano de arena. Soldarlos paciencia, OFV hecho que un OFV

en mi placa de circuito impreso requirió pinzas largas y lupa de joyero. Un módulo de con un varactor puede ser mucho más pequeño hecho con un condensador variable.

5. Los OFVs a varactor pueden ser Puesto que el OFV a varactor tensión continua variable, puede a PLL moderno. Un OFV casero limitado a tecnología antigua.

sintonizados por PLL. se sintoniza con una ser parte de un diseño no tiene porque estar

La utilización más solicitada para este tipo de diodos suele ser la de sustituir a complejos sistemas mecánicos de capacitor variable en etapas de sintonía en todo tipo de equipos de emisión y recepción, ejemplo, cuando cambiamos la sintonía de un receptor antiguo, se varía mecanicamente el eje de un capacitor variable en la etapa de sintonía; pero si por el contrario, pulsamos un botón de sintonía de un receptor de televison moderno, lo que hacemos es variar la tensión de polarización de un diodo varicap que se encuentra en el módulo sintonizador del TV.

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Figura: Variación de la capacitancia por una tensión inversa típica El problema con los varactores Desgraciadamente, los OFVs sintonizados por varactores no son lineales. Sin embargo, puedes convertir esto en una ventaja. Cuando la tensión del varactor se cambia, el cambio de frecuencia que se produce no es lineal. Cuando se aplica tensión por primera vez, los huecos en la unión PN se llenan enseguida capacidad rápidamente. Después del primer gran más tensión debe ser aplicada para llenar mas los electrones en el semiconductor de tipo N.

electrones y los y disminuyen la cambio, cada vez huecos y agotar

En otras palabras, cuanto más amplio sea el margen de sintonía, más no lineal será la relación entre tensión aplicada y frecuencia. Esto exagera la sintonía del extremo alto de frecuencia de la banda. Por ejemplo, si se lleva el varactor a su margen máximo de capacidad, el 75% del margen de tensión de sintonía podría ser necesario para cubrir el 25% más alto de tu margen total de frecuencia. Imagina que estás especialmente interesado en operar en CW. El segmento de CW de la banda está siempre en el extremo inferior con la fonía en el extremo superior de frecuencia. El problema de linealidad puede convertirse en una ventaja diseñando el conversor de frecuencia del OFV de tu transmisor o

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receptor de manera que para cada banda el extremo alto frecuencia del OFV cubra el extremo bajo de CW de la banda.

de

Las señales de CW tienen poco ancho de banda, unos pocos Hz, las bandas de fonía son varias veces más anchas y las mismas señales de fonía cubren 3 KHz cada una. En otras palabras, un buen ensanche de banda (poco cambio de frecuencia para mucho giro del botón) es importante para la banda de CW y no tan importante para la banda de fonía. Sí, sintonizar en fonía (SSB) requiere sintonía fina, pero encontrarás que para ajustar la calidad de la voz es más fácil hacerlo con el botón del OFB que con la sintonía del OFV. Por ejemplo, en un transmisor el margen del OFV podría ir de 5.0 a 5.5 MHz. Para transmitir en 40 metros (7.00 a 7.30 MHz en los USA), el transmisor podría usar un oscilador local controlado a cristal de 12.5 MHz para cubrir de 7.0 a 7.5. Esto es, 12.5 MHz menos 5.5 MHz = 7.0 MHz. De esta manera, el extremo alto de la sintonía del OFV cubre el extremo BAJO de la banda. En contraste, si usas un cristal de frecuencia baja, el extremo alto de frecuencia del OFV cubrirá el extremo alto de la banda donde el ensanche de banda no es muy importante. Esto es, 5.00 MHz más 2.00 MHz = 7.00 MHz. Una de las principales aplicaciones de los diodos varactores es la sintonización de circuitos. Cuando se utiliza en un circuito resonante, el varactor actúa como una capacidad variable permitiendo ajustar la frecuencia de resonancia mediante un nivel de tensión variable.

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Si observamos el circuito contenido en el applet que aparece a continuación comprobamos que el diodo varactor y el inductor forman un circuito resonante paralelo. C 1 ,C 2 ,C 3 y C 4 son capacidades de desacoplo para prevenir que el filtro cargue al circuito de polarización. Estas capacidades no tienen efecto en la respuesta en frecuencia del filtro porque sus reactancias son despreciables a las frecuencias de resonancia. C 1 previene un camino de continua entre el contacto móvil del potenciómetro y el generador de alterna a la entrada a través de el inductor y R 1. C 2 previene del camino de continua desde el cátodo al ánodo del varactor a través del inductor. C 3 evita el camino desde la toma media del potenciómetro a una carga en la salida por el inductor. Y C 4 corta la componente continua de la toma del potenciómetro a masa. Las resistencias R 2 ,R 3 ,R 5 y el potenciómetro R 4 forman un divisor de tensión continua que permite alimentar al varactor. La tensión inversa de polarización se puede variar con el potenciómetro. La frecuencia de resonancia del circuito paralelo es

Antena Activa De Sintonía Remota Normalmente el termino antena activa se refiere a un dispositivo que se monta en el exterior y amplifica las señales de radio en un rango de 0,10 a 30 Mhz, sin necesidad de sintonizarlo. esta compuesta por un modulo preamplificador dentro de una caja a prueba de intemperie con una antena María José Avilés Conde

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telescópica montada en ella, una caja de control que contiene la fuente de alimentación y un control de atenuación de la señal recibida. La conexión entre el modulo preamplificador y la caja de control se realiza mediante un cable coaxil, normalmente de 15 metros (50 pies) de RG-58/U, que también lleva la alimentación de corriente continua al amplificador de radiofrecuencia de banda ancha. Algunos modelos comerciales con estas características son las sony modelo AN-1, MFJ modelo 1024 y Mc Kay Dymek modelo DA100D. el inconveniente que poseen este tipo de antena activa, es que como todo dispositivo de banda ancha, no solo amplifica las señales deseadas sino también las indeseadas y el ruido. Al agregar un circuito síntonizado a la entrada, se puede incrementar la sensibilidad y la selectividad en el rango de frecuencias cubiertas, que en este caso no será tan amplio como las antenas activas anteriormente descriptas. el problema es como sintonizar la antena remota desde adentro del cuarto de radio. La solución practica es usar un diodo varactor o varicap, el cual actúa como un capacitor con valores ajustables que pueden ser cambiados al aplicar una tensión positiva de polarización variable al contrario de los diodos rectificadores o de conmutación, los varicap (también llamados diodos sintonizables) son polarizados en forma inversa, sin circulación de corriente a través de ellos, actuando como un capacitor variable y no como un semiconductor, a mayor tensión de corriente continua sobre el diodo sintonizable, menor es la capacidad en su junta semiconductora. El circuito de la antena es mostrado en la figura 1:

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El varactor (V) se coloca en paralelo con el circuito sintonizado (L1/C1), en serie con un capacitor de 0.1 microf que actúa como bloqueador de tensión y como paso (by pass). La tensión variable es alimentada al varactor a través de un choque de radio frecuencia (R.F.). La antena en si puede ser cualquier varilla de aluminio o bronce. Una antena telescópica recuperada de algún desarme, e incluso un trozo de alambre, de un largo mínimo de 1,5 metros (5 pies). Los diodos varactores no son elementos de fácil obtención en la casas de componentes electrónicos. Estos son algunos modelos según el catalogo motorola:

Modelo

Capacidad Tensión

Máxima

MV2111

47 picoF nuevo)

MV2115

l00 picoF A 4 (modelo 250 picoF MV1662 nuevo) viejo)

A

4

a

(modelo

Modelo

Capacidad Tensión

Máxima

MV1650

100 picoF A 4 (modelo viejo) A4

a

(modelo

Se puede reemplazar un varactor de modelo viejo como el MV1662 por el paralelo de modelos más nuevos, en este caso dos MV2115 y un MV2111, dando la suma de sus capacidades máxima aproximadamente igual a la del MV1662. También la firma Siemens tiene una familia de diodos varactores, por ejemplo: el BB113, que son tres diodos en un mismo cristal semiconductor, que dan como resultado valores iguales de capacidad mínima y máxima a igual tensión de sintonía, es decir un buen alineamiento o arrastre.

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DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS Valores de capacidad según la tensión:

TIPOS DE DIODO Alineamiento según la tensión:

CD = 230 A 280 picoF a 1v. De 1 a 6v. CD = 55 picoF a 10v. De 6 a 20v. = 2% CD = 16 picoF a 20v.

=

1%

Para este proyecto utilizaremos un varactor modelo VMAM109, que tiene una capacidad máxima de 450 picof a 1v. y una capacidad mínima de 30 picof a 9 v. El circuito sintonizado (L1/C1) y el varactor (V) son resonante a la banda deseada, en este caso bandas de aficionados, pero con modificaciones en la cantidad de espiras de las bobinas, se pueden sintonizar las bandas de radiodifusión (broadcasting) de onda media (MF) y onda corta (HF). Para la banda de 80 metros (3.500 a 4.000 KHz), la bobina es de núcleo de ferrita ajustable con un diámetro de 8mm. (5/16 pulg.) y un largo de 25,4mm (1 pulg.) y lleva 50 espiras de alambre esmaltado (del tipo utilizado en pequeños transformadores y motores) de diámetro 0,32mm ( AWG #28). El capacitor C1 es un trimmer de 50 picof. Para la banda de 160 metros (1.800 a 2.000 KHz) podemos intentar con 100 espiras y para la banda de 40 metros (7.000 a 7.300 KHz) con 25 espiras. Por regla general conviene bobinar mas espiras que las especificadas y remover las de a una para llegar en forma gruesa a la inductancia deseada. Con el núcleo de ferrita ajustable se logra alcanzar la mínima frecuencia deseada con el varicap a su mínima tensión. Con C1 se ajusta la máxima frecuencia deseada con el varicap a su máxima tensión. Como elemento amplificador podemos utilizar un transistor tipo mosfet (metal oxide semiconductor field efect transistor) o un tipo jfet (junction field efect transistor). De utilizar el primer tipo, en este caso los modelos BS170 o BSI70P, será necesario fijar en forma experimental la polarización de la compuerta (G - gate) por medio de un potenciómetro tipo pre-set (R1) o de resistencias fijas una vez determinado el valor adecuado de la tensión (de 3 a 4 v.). En el caso de utilizar transistores del segundo tipo como el conocido MPF102 o J310, no es necesaria esta polarización. El transformador de banda ancha T1 es para adaptar la alta impedancia de salida del transistor a la baja impedancia del cable coaxil (50 ohms) es un toroide de ferrita de 12,7mm (0,5 María José Avilés Conde

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pulg.) de diámetro exterior y 7,13mm (0.281 pulg.) de diámetro interior. El bobinado primario consiste en 21 espiras de alambre diámetro 0,32mrn (AWG #28) y el bobinado secundario son 7 espiras del mismo alambre. La alimentación al transistor se realiza a través del mismo cable coaxil que lleva la señal amplificada al receptor, mientras que la tensión variable para la sintonía del varactor es enviada con un cable unipolar aislado del tipo utilizado en los conexionados, de una sección de 0,50mm², encintado en paralelo al cable coaxil. El circuito de la caja de control se muestra en la figura 2, la misma consiste en una fuente de alimentación estabilizada, una llave conmutadora para la selección entre la antena activa y una antena de referencia externa, y el potenciómetro para variar la tensión de polarización del varactor (P1). Este puede ser del tipo multi-vuelta con su correspondiente dial micrométrico, pero el elevado costo de estos hace necesario buscar otras alternativas. Una de ellas puede ser un potenciómetro del tipo común, de buena calidad, al cual se le puede adosar un sistema de reducción a tambor e hilo como los utilizados por los diales de las viejas radios. También se puede emplear un potenciómetro del tipo lineal, de un largo suficiente como para poder realizar una escala a fin de tener una referencia en la sintonía.

Tanto el preamplificador como la fuente de alimentación se arman sobre plaquetas de circuitos impresos, cuyos diseños y ubicación de componentes se adjuntan en la figura 3.

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2.6 VARICAP (DIODOS DE CAPACIDAD VARIABLE)

El Varicap (Epicap, capacidad controlada por tensión o diodo de sintonía) es un diodo que se comporta como un condensador donde la capacidad esta controlada por la tensión. La capacidad formada en los extremos de la unión PN puede resultar de gran utilidad cuando, al contrario de lo que ocurre con los diodos de RF, se busca precisamente utilizar dicha capacidad en provecho del circuito en el cual se está utilizando el diodo. Al polarizar de las zonas paralelo con que conforma

un diodo de forma directa se observa que, además constitutivas de la capacidad buscada, aparece en ellas una resistencia de muy bajo valor óhmico, lo un capacitor de elevadas pérdidas.

Sin embargo, si polarizamos el mismo en sentido inverso la resistencia en paralelo que aparece es de un valor muy alto, lo cual hace que el diodo se pueda comportar como un capacitor con muy bajas pérdidas. Si aumentamos la tensión de polarización inversa las capas de carga del diodo se esparcían lo suficiente para que el efecto se asemeje a una disminución de la capacidad del hipotético capacitor (el mismo efecto producido al distanciar las placas del un capacitor estándar). Por esta razón podemos terminar diciendo que los diodos de capacidad variable, más conocidos como varicap's, varían su capacidad interna al ser alterado el valor de la tensión que los polariza de forma inversa. O supresor de transigentes, 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). La juntura “pn” presenta características de “capacidad eléctrica” ante variaciones tanto de la tensión inversa aplicada, como de la tensión directa. María José Avilés Conde

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Podemos entonces distinguir dos tipos de capacidad: la capacidad de la “carga espacial” o de transición (Ct) y la capacidad de difusión o almacenamiento (Cd). Capacidad de transición Ct: Esta capacidad aparece cuando polarizamos inversamente la juntura pn. La polarizacìon inversa provoca que los portadores mayoritarios se alejen de la juntura dejando descubierta la denominada “carga espacial” debido a los átomos ionizados. El grueso de esta capa de carga espacial, aumenta con la tensión inversa. Este aumento capacidad

de

carga

puede

considerarse

como

un

efecto

de

Ct =│ΔQ/ΔV│ Donde: ΔQ es el aumento decaiga provocado por un aumento de ΔV de la tensión aplicada. El valor de Ct lo podemos expresar de la siguiente forma: Ct = ε.A/W ε ≡ permitividad del material A≡ Area de la juntura transversal W≡ Ancho de la zona de la carga espacial El valor formulad:

de

W

se

puede

expresar

mediante

las

siguientes

W = √(2.ε.Vj/q.Nd) (raiz al cuadrado); para juntura abrupta tipo aleación W = √(2.ε.Vj/q.Nd) (raiz al cubo); para juntura gradual. Vj = Vo + Vd q ≡ carga del electrón Nd ≡ concentración de impurezas donadoras Vj ≡ Potencial de la juntura o barrera de potencial con tensión externa inversa aplicada. Vo ≡ Barrera de potencial sin tensión externa aplicada Vd ≡ Tensión externa aplicada

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El valor de Ct es del orden de los pF y como W aumenta con Vj, entonces las capacidad de transición disminuye con el aumento de la tensión inversa aplicada. Capacidad de difusión Esta aparece cuando la juntura esta polarizada directamente. El origen de esta capacidad tiene lugar en el almacenamiento de las cargas inyectadas en la vecindad de la juntura, fuera de la región de transición. La variación de esta carga inyectada, con la variación de la tensión directa aplicad nos define una capacidad incremental: Cd ≡ ΔQ/ΔV = τ.I / η.vT = τ .g = τ / r siendo g = dI / dV vT= tensión térmica ≈ T [ªK]/ 11.600 τ ≡ Tiempo de vida media de los portadores huecos. I ≡ Corriente directa. η ≡ Coeficiente de emisión Por ejemplo si τ = 20 μseg. , η =1 resulta Cd = 20 μF. Como vemos Cd >> Ct. No obstante de ser Cd un valor grande, no tiene en las aplicaciones en generales. Inconveniente dado que rd (resistencia dinámica directa) es muy bajo y por lo tanto la constante de tiempo “rd. Cd” no es excesivo.

Son diodos que se utilizan como capacidad variable aprovechando la variación de la capacidad de transición Ct con la tensión inversa aplicada.

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Curvas típicas de variación de Ct

Los valores dados en el circuito equivalente son para un determinado diodo varicaps con una determinada tensión inversa. Estos diodos se los utiliza generalmente en sistemas de radiocomunicaciones para los circuitos de sintonización tipo LC o también en osciladores con frecuencias variables. Veamos “LC”

un

circuito

básico

de

aplicación,

para

sintonización

C y L forman el circuito de resonancia paralelo principal. L1 acopla la señal sintonizada a las etapas amplificadoras posteriores. C1 acopla, en paralelo al circuito LC (llamado circuito tanque), la capacidad de transición Ct. El filtro L de Choke, impide que la señal de radiofrecuencia, presente el circuito tanque, ingrese a la fuente de alimentación V cc y a través de ella, provoque inestabilidad en el resto del circuito (realimentación positiva).

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La fuente de alimentación y el potenciómetro, son los encargados de aplicarle una tensión inversa y variable al diodo barricas. La variación de Ct provoca el cambio de la frecuencia de resonancia del circuito tanque y con ello la sintonización. Como el diodo varicap es un dispositivo semiconductor que puede controlar su valor de capacitancia términos del voltaje aplicado en polarización inversa. Esto es, cuando el diodo se polariza inversamente no circula corriente eléctrica a través de la unión; la zona de deplexión actúa como el dieléctrico de un capacitor; las secciones de semiconductor P y N del diodo hacen las veces de las placas de un capacitor; la capacitancia que alcanza el capacitor que se forma, es del orden de los pico o nanofaradios.

Los diodos varicap se utilizan en circuitos sintonizados, para realizar de manera automática la selección de señales de frecuencias específicas.

Cuando varía el voltaje de polarización inversa aplicada al diodo, aumenta o disminuye de igual forma la zona de deplexión. En un diodo, esto equivale a acercar o alejar las placas de un capacitor. Cuando las placas de un capacitor se separan entre sí, la capacitancia del mismo se reduce; pero si éstas se acercan, la capacitancia aumenta. El mismo efecto ocurre cuando se modifica la polarización al diodo. Los diodos varicap se controlan mediante el voltaje que se les aplica; por lo que el cambio de capacidad se puede hacer mediante otro circuito de control, ya sea digital o analógico. Las aplicaciones de los varicap son la mayoría de las veces en circuitos resonantes, los cuales permiten seleccionar una señal de una frecuencia específica, de entre muchas señales de diferentes valores. Este tipo de circuitos se encuentran comúnmente en videograbadoras y televisores, como circuitos de selección de canales; en radiorreceptores de FM, sirven para separar la componente de audio de la portadora de alta frecuencia, etc. María José Avilés Conde

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APLICACIONES La utilización más solicitada para este tipo de diodos suele ser la de sustituir a complejos sistemas mecánicos de capacitor variable en etapas de sintonía en todo tipo de equipos de emisión y recepción, ejemplo, cuando cambiamos la sintonía de un receptor antiguo, se varía mecánicamente el eje de un capacitor variable en la etapa de sintonía; pero si por el contrario, pulsamos un botón de sintonía de un receptor de televisan moderno, lo que hacemos es variar la tensión de polarización de un diodo varicap que se encuentra en el módulo sintonizador del TV.

Las regiones p y n se comportan como las placas de un condensador y la zona de deplexión es como el dieléctrico.

En inversa la anchura de la "Zona de deplexión" aumenta con la tensión inversa y la capacidad disminuye.

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MEDIDOR DE DIODOS VARICAP. Los diodos VARICAP se utilizan en la mayoría de los circuitos electrónicos sustituyendo a los condensadores variables. Su tamaño es mucho menor y al ser un dispositivo estático está mucho menos expuesto a posibles averías. El control de su capacidad se realiza mediante una tensión variable, por lo que son insustituibles en determinados circuitos tales como los sintetizadores de frecuencia, circuitos que son de amplia utilización en multitud de equipos electrónicos. Es muy frecuente tener en el cajón de los componentes, diodos varicap de los que desconocemos sus características, capacidad máxima y mínima, por lo que no sabemos si los podemos utilizar en un determinado circuito. Normalmente, los varicap no se pueden medir o comprobar con un capacímetro normal, ya que su capacidad varía según la tensión aplicada. Por tanto, en el presente artículo se propone la construcción de un Medidor de Diodos Varicap, que nos permitirá también la medida de condensadores de pequeña capacidad. No es un instrumento de alta precisión, pero suficiente para el trabajo en el taller del radioaficionado. Para simplificar su construcción, todos los componentes van montados sobre una placa de circuito impreso y no hay ningún cableado, excepto la alimentación de red. DESCRIPCIÓN. El varicap, como cualquier condensador, presenta una oposición al paso de una corriente alterna, tanto mayor cuanto más pequeña es la capacidad, para una frecuencia dada. Esta oposición se llama Reactancia Capacitiva y su valor viene dado por la fórmula:

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Xc Reactancia Capacitiva f Frecuencia C Capacidad En la figura número uno podemos ver un esquema de bloques del Medidor. Un oscilador controlado por un cristal de cuarzo, genera una tensión alterna con una frecuencia de 4,43 MHz. Esta señal se aplica a un amplificador sintonizado mediante un circuito resonante, en cuya salida tenemos una señal de 4,43 MHz perfectamente filtrada, señal que se aplica al terminal J01.

FIGURA NÚMERO UNO. ESQUEMA DE BLOQUES.

Entre los terminales J01 y J02 se conecta el varicap que vamos a medir, al cual aplicaremos una tensión variable entre 0 y 30 voltios, con lo que su capacidad variará entre los valores máximo y mínimo. La señal que atraviesa el varicap aparece sobre una resistencia ajustable, atenuada por la reactancia capacitiva variable del varicap. Esta tensión se mide con un voltímetro de RF y su valor dependerá de la tensión aplicada al varicap. De esta manera tenemos una indicación de su capacidad en función de la tensión de polarización aplicada. El circuito está alimentado por una fuente de alimentación que entrega tres tensiones, +12V y -12V para el funcionamiento de los amplificadores operacionales y otra tensión de +30V para la polarización del varicap. Para conseguir varias escalas de medida es preciso cambiar el valor de la resistencia sobre la que se mide la tensión de RF, lo que se consigue conmutando varias resistencias ajustables. Para evitar pérdidas de RF, esta conmutación se realiza mediante unos relés y el correspondiente circuito de María José Avilés Conde

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conmutación. Mediante el presente montaje se pueden medir diodos varicap y condensadores de valores hasta de 300pF en cuatro escalas. OSCILADOR Y AMPLIFICADOR. El esquema del medidor se ha dividido en varias partes para su mejor comprensión. En la figura número dos podemos ver el oscilador y el amplificador sintonizado. El oscilador está construido con un circuito integrado CMOS 4011, que tiene en su interior cuatro puertas nand. La frecuencia del oscilador está controlada por el cristal de cuarzo X01, cuya frecuencia es de 4,43 MHz. Se ha elegido esta frecuencia ya que este cristal de cuarzo es muy común y se encuentra con facilidad en los comercios de electrónica.

FIGURA NÚMERO DOS. ESQUEMA. OSCILADOR Y AMPLIFICADOR. La salida del oscilador se aplica a un amplificador sintonizado a la mencionada frecuencia de 4,43 MHz. Este amplificador está constituido por el circuito integrado NE592 y los componentes asociados y está alimentado por una tensión doble de 6 voltios positivos y negativos, estabilizados mediante los correspondientes diodos zener, D01, D02 y las correspondientes resistencias limitadoras, R07 y R08. Los condensadores C05 y C06 filtran la alimentación de este integrado. La carga de este amplificador es un transformador de RF, TR01, cuyo primario está sintonizado a la frecuencia de 4,43 MHz mediante el condensador C07. En el secundario de este transformador tenemos la señal que aplicaremos al diodo bajo prueba. El varicap a medir se conecta en los terminales J01 y J02 con la polaridad indicada en el esquema, el ánodo en J01 y el cátodo en J02. A través de la resistencia R09 aplicamos una tensión variable entre cero y treinta voltios al cátodo del varicap bajo prueba, lo que hace que su capacidad varíe, siendo menor cuanto mayor sea la tensión aplicada.

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Esta variación de capacidad trae como consecuencia la variación de la reactancia capacitiva y por tanto la variación de la tensión de RF presente en su cátodo. VOLTÍMETRO. En la figura número tres podemos ver el esquema del circuito de medida, cuyo funcionamiento es como sigue.

FIGURA NÚMERO TRES. ESQUEMA. VOLTÍMETRO. La señal procedente del varicap se aplica, mediante el condensador C09 a una de las resistencias ajustables seleccionada por el correspondiente relé. Esta señal, más o menos atenuada según la escala de medida, pasa a través del condensador C10, a la puerta del transistor Q01, cuya impedancia de entrada es muy alta al tratarse de un FET montado en circuito "source follower". De esta manera la señal no sufre prácticamente ninguna atenuación. La señal presente en el terminal "fuente" de este transistor, se aplica, mediante el condensador C12, al circuito rectificador que está formado por dos diodos Schottky tipo BAR10, D03 y D04. Como es sabido, los diodos semiconductores tienen un potencial de umbral que tiene un valor de 0,5 - 0,7 voltios, dependiendo del material empleado en la construcción del diodo (Radioaficionados, Junio-2002). Si aplicamos una pequeña señal a un no empezará a conducir hasta que umbral. Por esta razón, en este rectificadores están polarizados en María José Avilés Conde

diodo semiconductor, este se supere el voltaje de montaje, los dos diodos sentido directo, mediante 138

DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS las resistencias R13 y corriente de conducción.

TIPOS DE DIODO R14,

de

forma

que

hay

una

pequeña

De esta manera, tensiones de radiofrecuencia muy pequeñas producirán un aumento de esta corriente de polarización y estas pequeñas variaciones de tensión, convenientemente amplificadas, serán indicadas por un instrumento de medida. Se utilizan dos diodos iguales, aunque solamente uno de ellos es el encargado de rectificar la señal de entrada. Esto permite la compensación de las variaciones de temperatura. Las tensiones presentes en los diodos se aplican a las entradas de un amplificador operacional, IC05, del tipo LM741. Estas tensiones están filtradas por los condensadores C13, C14, las resistencias R15 y R16. Mediante estos componentes se elimina cualquier componente de radiofrecuencia en las tensiones aplicadas a las entradas del amplificador operacional. El amplificador de tensión lo constituye el circuito integrado LM741. Entre la salida, patilla número seis y la entrada inversora, patilla número 2, se encuentra el condensador C15, mediante el cual se reduce la banda de paso del amplificador y se impide que amplifique cualquier señal alterna que pudiese captar cualquiera de sus entradas. Así mismo, entre la salida y la entrada se encuentra la resistencia R17 que fija la ganancia del amplificador operacional. Entre las patillas número uno y cinco se encuentran las resistencias R19, R20 y el potenciómetro P05. Este circuito permite conseguir que en la salida del operacional tengamos exactamente cero voltios sin ninguna señal de entrada. Esto se conoce como "ajuste de offset". La tensión de salida del amplificador operacional se aplica al circuito de medida formado por el miliamperímetro M01 y la resistencia R18. El puente B01 y los puntos de prueba TP3, TP4 y TP5 servirán para la calibración del Milivoltímetro. FUENTE DE ALIMENTACIÓN. El circuito está alimentado por una Fuente que proporciona dos tensiones simétricas de +12 voltios y -12 voltios y una tercera tensión de +30 ajustable, para la polarización del diodo varicap bajo prueba. El esquema de la Fuente de Alimentación se puede ver en la figura número cuatro.

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FIGURA NÚMERO CUATRO. ESQUEMA. FUENTE DE ALIMENTACIÓN. La tensión de red se conecta, a través del interruptor y el correspondiente fusible, a un transformador con un primario a 220 voltios y un secundario de 12+12 voltios a 300 miliamperios. La toma media del secundario del transformador TR02 está conectada a masa. Mediante los diodos rectificadores D05 y D06 rectificamos en onda completa y obtenemos una tensión positiva que es filtrada por el condensador C23. Esta tensión sin estabilizar, de unos 18 voltios positivos respecto a masa, se conecta a la entrada del regulador IC03, LM7812, en cuya salida tendremos una tensión de 12 voltios positivos estabilizados. Los condensadores C24 y C26 desacoplan el regulador de las posibles tensiones de Alta Frecuencia que puedan aparecer. El condensador C25 filtra la tensión de salida de +12 voltios. La tensión de -12 voltios se obtiene de manera similar. Los diodos rectificadores D07 y D08 rectifican en onda completa y proporcionan una tensión negativa que es filtrada por el condensador C27. Esta tensión sin estabilizar, de unos 18 voltios negativos respecto a masa, se conecta a la entrada del regulador IC04, LM7912, que proporciona una tensión de 12 voltios negativos y perfectamente estabilizados.

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Los condensadores C28 y C30 desacoplan el regulador de las posibles tensiones de Alta Frecuencia que puedan aparecer. El condensador C29 filtra la tensión de salida de -12 voltios. Un fusible de 0,1A y un interruptor completan el circuito de entrada de tensión de red a la fuente de alimentación. De un extremo del secundario del transformador se toma una salida para obtener una tensión de unos 50 voltios, mediante el circuito triplicador de tensión formado por los diodos D09, D10, D11 y los condensadores C31, C32 y C33. Esta tensión de 50 voltios se reduce y estabiliza al valor requerido de 30 voltios mediante el transistor Q02, en cuya base está conectado un diodo zener de 33 voltios, polarizado por la resistencia R22 y filtrado por el condensador C35. La tensión de salida se filtra con los condensadores C36 y C37 y se aplica al divisor de tensión formado por la resistencia R23 y el potenciómetro P06. Como la tensión del diodo zener D12 es de 33 voltios, en la salida del circuito estabilizador, en el emisor del transistor Q02, se obtiene una tensión ligeramente más alta de los 30 voltios requeridos. Por esta razón, se incluye la resistencia R23 para que en el potenciómetro P06 aparezca una tensión de 30 voltios exactamente. El valor de esta resistencia de 4K7 podrá cambiar en función de las tolerancias de los componentes del circuito estabilizador. CIRCUITO DE CONMUTACIÓN. Las distintas escalas de medida se obtienen cambiando el valor de la resistencia sobre la que se mide la tensión de RF después de atravesar el varicap bajo prueba. Con el fin de que no haya pérdidas de RF, la selección de la correspondiente resistencia ajustable se realiza mediante unos pequeños relés, tal como se puede ver en la figura número tres. De esta manera, por el conmutador selector de escala, solamente pasa corriente continua y puede estar relativamente alejado de los relés. El circuito de conmutación necesario para la alimentación de los relés se puede ver en la figura número cinco. Se utiliza un conmutador de un circuito cuatro posiciones y la tensión de alimentación de los relés se desacopla mediante el condensador C38. María José Avilés Conde

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FIGURA NÚMERO CINCO. ESQUEMA. CIRCUITO DE CONMUTACIÓN. Diseño de un Soundboost Se presentaban 2 problemas a la hora de fabricar un SOUNDBOOST. Por un lado, el problema de sonido y por otra la identificación de algunos componentes del circuito. En el tema de sonido, estaba claro que el nuevo SOUNDBOOST debería estar diseñado para las televisiones con sistema PAL B/G que es el que se utiliza en España. En el sistema ingles, PAL N, la portadora de sonido se encuentra a 6MHz mientras que para PAL B/G la portadora está en 5.5MHz. Por tanto, el estudio del circuito nos tendría que llevar a ver que elementos habría que modificar para desplazar la portadora del sonido. En cuanto a los componentes sin identificar, gracias al dependiente de la tienda de electrónica se sacaron algunos y mediante el polímetro, el valor de algunos condensadores. Estudiando el circuito a continuación, se llega a la conclusión que es un sencillo modulador FM. La señal del altavoz llega a los diodos varicap que realizan la modulación en FM. A partir de aquí entran en el oscilador. La

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función del oscilador es general la portadora donde irá montada la señal FM. ¿La alimentación del circuito? La toma de la modulador. Existe una componente continua de 2.17V.

señal

del

La frecuencia de oscilación viene dada por la formula :

Siendo C equivalente:

Con estas formulas podemos ver que el diseño original con bobina de 10microH da una frecuencia inicial ( con el condensador variable a 0) de 6.3MHz. Para bajar la frecuencia existen 2 opciones: Aumentar el valor de la bobina o el de los condensadores. Sin embargo la segunda opción no es nada recomendada. Al hacer las pruebas se observó que el ruido aumentaba también. La mejor solución es subir el valor de la bobina. Con una bobina de 12 microH da una frecuencia inicial ( con el condensador variable a 0) de 5.79MHz. En cuanto a los diodos varicap, desconozco la misión exacta de utilizar dos diodos. La teoría a la que he llegado es que uno modula en FM y el otro realiza un ajuste fino de esta modulación. Se han hecho prueban con los diodos varicap BB105G, BB405G el circuito funciona perfectamente con uno solo.

y

El problema viene porque no es posible encontrar el MV1622

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Esquema original:

Componentes para la fabricación de un SOUNDBOOST Estos son los componentes que varían con respecto al diseño original D1= Diodo BB105G ó BB405G D2=No utilizado C3=Condensador variable de 2 patas.Capacidad de 0 a 80p L1= Bobina 12 microH. Valor normalizado.

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2.7 DIODO PIN

El diodo PIN es un diodo que presenta una región P fuertemente dopada y otra región N también fuertemente dopada, separadas por una región de material que es casi intrínseco. Este tipo de diodos se utiliza en frecuencias de microondas, es decir, frecuencias que exceden de 1 GHz, puesto que incluso en estas frecuencias el diodo tiene una impedancia muy alta cuando está inversamente polarizado y muy baja cuando esta polarizado en sentido directo. Además, las tensiones de margen de 100 a 1000 V.

ruptura

están

comprendidas

en

el

En virtud de las características del diodo PIN se le puede utilizar como interruptor o como modulador de amplitud en frecuencias de microondas ya que para todos los propósitos se le puede presentar como un cortocircuito en sentido directo y como un circuito abierto en sentido inverso. También se le puede utilizar para intensas y/o tensiones muy grandes.

conmutar

corrientes

muy

El diodo se forma partiendo de silicio tipo P de alta resistividad. La capa P de baja resistividad representada, está esta formada por difusión de átomos de boro en un bloque de silicio tipo P y la capa N muy delgada está formada difundiendo grandes cantidades de fósforo. La región intrínseca i es realmente una región P de alta resistividad y se suele denominar región p. Cuando el circuito está abierto, los electrones fluyen desde la región i(p) hasta la región P para recombinarse con los huecos en exceso, y los huecos fluyen desde la región i para recombinarse con los electrones de la región N. Si el material i(p) fuese verdaderamente intrínseco, la caída de tensión en la región i sería nula, puesto que la emigración de huecos sería igual a la emigración de electrones.

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Sin embargo, como el material es en verdad p (P de resistividad), hay más huecos disponibles que electrones.

alta

Cuando se aplica una polarización inversa al diodo los electrones y los huecos del material p son barridos (swept free). Un posterior aumento de la tensión inversa simplemente incrementa las distribuciones de tensiones P-I e I-N. En el diodo PIN la longitud de la región de transición L es aproximadamente igual a la región i y aproximadamente independiente de la tensión inversa. Por lo tanto, a diferencia de los diodos PN o Schottky, el diodo PIN tiene una capacidad inversa que es aproximadamente constante, independiente de la polarización. Una variación típica de la capacidad podría ser desde 0,15 hasta 0,14 pF en una variación de la polarización inversa de, por ejemplo, 100 V.

En virtud de que es igual a la longitud de la región i, la longitud de la región de transición es aproximadamente constante y considerablemente mayor que la de otros diodos y, por lo tanto, la capacidad CR, que es proporcional a 1/L es significativamente menor que la de otros diodos, por lo que el diodo PIN es apropiado para aplicaciones de microondas. Los valores normales de CR varían desde 0,1 pF hasta 4 pF en los diodos PIN, comercialmente asequibles. Cuando el diodo está polarizado en sentido directo, los huecos del material P se difunden en la región p, creando una capa P de baja resistividad. La corriente es debida al flujo de los electrones y de los huecos cuyas concentraciones son aproximadamente iguales en la región i. En la condición de polarización directa la caída de tensión en la región i es muy pequeña. Además, al igual que el diodo PN, cuando aumenta la corriente, también disminuye la resistencia. En consecuencia el diodo PIN es un dispositivo con su resistencia o conductancia modulada. En una primera aproximación, la resistencia rd en pequeña señal es inversamente proporcional a la corriente IDQ con polarización directa, lo mismo que en el diodo PN.

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En frecuencias de microondas se representa de maneras más sencillas por una capacidad CR en serie con la resistencia directa rd. Con tensiones directas, CR es aproximadamente infinita, mientras que en polarización inversa, rd es aproximadamente nula. La capacidad CS es la capacidad parásita paralelo que se produce soldando el diodo a la cápsula y LS es la inductancia serie debida a los hilos de conexión desde el diodo hasta la cápsula.

(a)Construcción(b)Polarizado en inversa(c)Polarizado en directa Caracterización de la impedancia del diodo El diodo PIN se utilizará en el desfasador con uno de sus accesos conectado a masa. De este modo se caracterizó el valor del coeficiente de reflexión (parámetro S11) del diodo conectado a masa, como una red de una puerta, para diferentes puntos de polarización con el circuito mostrado en la Fig. 5. En dicha figura, se ve la transición coplanar a conectada al diodo utilizada para caracterizarlo estación de sondas coplanares.

microstrip usando la

En la Fig. A se muestran los coeficientes de reflexión, que se obtuvieron para una polarización directa de 50 mA e inversa de -5 V. La gráfica de la derecha muestra la diferencia de fase del parámetro S11 cuando el diodo cambia de estado.

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Fig. A. Coeficiente de reflexión medido cuando el diodo está conectado a masa: Diodo ON @ 50 mA y Diodo OFF @ -5 V. Desfase del coeficiente de reflexión cuando el diodo PIN cambia de estado de conducción (ON @ 50 mA, OFF @ -5 V). A partir de las medidas se pudo extraer un circuito equivalente del diodo para cada estado de conducción y que se muestra en la Fig. B. Los valores de L, RS, CT y RP son en inversa L=0.2 nH, RS=2 Ω, CT=0.02 pF y RP=2100 Ω. Para la polarización directa (con intensidad de 50 mA), el circuito equivalente tiene los siguientes elementos: L=0.2 nH, RS=2 Ω y RI=0.8 Ω.

Fig. B. Circuito equivalente en polarización directa (b) del diodo PIN HPND-4005

inversa

(a)

y

Respuesta de conmutación de los diodos PIN Se realizó la caracterización de la respuesta temporal de conmutación del diodo PIN HPND-4005, para conocer su máxima frecuencia de conmutación. Un método empleado para conocer la respuesta en conmutación de diodos PIN y su velocidad máxima de conmutación, se basa en estimular al diodo con una señal cuadrada que lo obligue a conmutar de estado de conducción, y observar la intensidad que fluye por el diodo en estas condiciones. Uno de los parámetros más significativos que se obtiene con este procedimiento es el denominado tiempo de recuperación en inversa, ‘trr’, que es el tiempo que tarda el diodo en dejar de conducir desde que se aplica una tensión inversa, partiendo de la condición inicial de que el diodo está en estado de conducción con intensidad ‘IF’ y tiene una carga almacenada.

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El tiempo necesario para eliminar esta cantidad de carga, aplicando una intensidad inversa ‘ir’ al diodo, fija su máxima frecuencia de conmutación. El diodo caracterizado está montado sobre un substrato de alúmina (εr=9.9, h=0.254 mm) con líneas de entrada y salida de impedancia 50Ω y se utilizó el útil de medida de la firma Intercontinental Microwave. Con el generador de pulsos (onda cuadrada) HP 81101A y el osciloscopio digital Lecroy LT342, se obtuvo la respuesta del diodo cuando conmuta de estado OFF a ON. Cuando el estímulo es una señal cuadrada periódica, el periodo mínimo de la señal deberá ser de al menos 2· trr. En el caso de aplicar al diodo una polarización inversa de – 5V, el tiempo de recuperación en inversa es de unos 200 ns, esto implica que la máxima frecuencia de conmutación es de 2.5 MHz. El nombre es debido a la existencia de una capa I (silicio de "lo intrínseco" - sin dopagem) en medio en las capas P del acuerdo y el bosquejo de N del cuadro C.

Figura C Cuando están polarizados directamente, los agujeros y los electrones se inyectan en la capa intrínseca I y sus cargas no annulled inmediatamente, ellas son activas para una determinadas período.

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Esto da lugar a una carga media en la capa que hace posible la conducción. En la polarización nula o inversa, no ha almacenado la carga y el diodo si sostiene como condensador en paralelo a la resistencia apropiada del sistema. Con la tensión continua o de frecuencia baja, el PERNO del diodo tiene comportamiento al lado del diodo de la ensambladura PN. En frecuencia más arriba, de períodos inferiores a la época de la duración de cargas, la resistencia presenta una variación característica con la cadena. Esto da a los usos componentes variados en de alta frecuencia, como llaves, atenuadores, filtros, limitors, etc. El cuadro 01 (c) da ejemplo del uso como llave de la radiofrecuencia en transmitir y la recepción de un sistema que comparta la misma antena. Si se aplica +V, el transmisor está conectado con la antena y el receptor bloqueado. E viceversa. En frecuencias de microondas se representa de maneras mas sencillas por una capacidad CR en serie con la resistencia directa rd. Con tensiones directas, CR es aproximadamente infinita, mientras que en polarización inversa, rd es aproximadamente nula. La capacidad CS es la capacidad parásita paralelo que se produce soldando el diodo a la cápsula y LS es la inductancia serie debida a los hilos de conexión desde el diodo hasta la cápsula. Entre los diodos APD y PIN, este último es el más utilizado como detector de luz en los sistemas de comunicaciones por fibra óptica. Este diodo está conformado por una capa intrínseca, casi pura, de material semiconductor, introducida entre la unión de dos capas de materiales semiconductores tipo n y p.

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La luz entra al diodo por una ventana muy pequeña y es absorbida por el material intrínseco, el cual agrega la energía suficiente para lograr que los electrones se muevan de la banda de valencia la banda de conducción y se generen portadores de carga eléctrica que permiten que una corriente fluya a través del diodo. Los elementos más utilizados en la fabricación de este tipo de detectores son el Germanio y últimamente se utiliza el GaAs, GalnAs, InP, con resultados muy buenos. Los diodos PIN requieren bajas tensiones para su funcionamiento, pero deben utilizar buenos amplificadores. Presentan tiempos de vida relativamente altos, que podrían reducirse únicamente por factores externos y son los más indicados para el uso en la segunda y tercera ventana de transmisión (1.300 y 1.550 nm). Otro método para obtener electrones para el transporte de electricidad consiste en añadir impurezas al semiconductor o doparlo, este es el caso del Diodo PIN. La diferencia del número de electrones de valencia entre el material dopante (tanto si acepta como si confiere electrones) y el material receptor hace que crezca el número de electrones de conducción negativos (tipo n) o positivos (tipo p). Este concepto se ilustra en el diagrama que se muestra a continuación, que representa un cristal de silicio dopado. Cada átomo de silicio tiene cuatro electrones de valencia (representados mediante puntos). Se requieren dos para formar el enlace covalente. En el silicio tipo n, un átomo como el del fósforo (P), con cinco electrones de valencia, reemplaza al silicio y proporciona electrones adicionales. En el silicio tipo p, los átomos de tres electrones de valencia como el aluminio (Al) provocan una deficiencia de electrones o huecos que se comportan como electrones positivos. Los electrones o los huecos pueden conducir la electricidad.

Cuando ciertas capas de semiconductores tipo p y tipo n son adyacentes, forman un diodo de semiconductor, y la región de contacto se llama unión pn. Un diodo es un dispositivo de dos terminales que tiene una gran resistencia al paso de la María José Avilés Conde

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corriente eléctrica en una dirección y una baja resistencia en la otra. Las propiedades de conductividad de la unión pn dependen de la dirección del voltaje, que puede a su vez utilizarse para controlar la naturaleza eléctrica del dispositivo. Algunas series de estas uniones se usan para hacer transistores y otros dispositivos semiconductores como células solares, láseres de unión pn y rectificadores. Los dispositivos semiconductores tienen muchas aplicaciones en la ingeniería eléctrica. Los últimos avances de la ingeniería han producido pequeños chips semiconductores que contienen cientos de miles de transistores. Estos chips han hecho posible un enorme grado de miniaturización en los dispositivos electrónicos. La aplicación más eficiente de este tipo de chips es la fabricación de circuitos de semiconductores de metal-óxido complementario o CMOS, que están formados por parejas de transistores de canal p y n controladas por un solo circuito. Además, se están fabricando dispositivos extremadamente pequeños utilizando la técnica epitaxial de haz molecular. Una variación típica de la capacidad podría ser desde 0,15 hasta 0,14 pF en una variación de la polarización inversa de, por ejemplo, 100 V. La corriente es debida al flujo de los electrones y de los huecos cuyas concentraciones son aproximadamente iguales en la región i. En la condición de polarización directa la caída de tensión en la región i es muy pequeña. Además, al igual que el diodo PN, cuando aumenta la corriente, también disminuye la resistencia. En consecuencia el diodo PIN es un dispositivo con su resistencia o conductancia modulada. En una primera aproximación, la resistencia rd en pequeña señal es inversamente proporcional a la corriente IDQ con polarización directa, lo mismo que en el diodo PN. Un diodo PIN es un dispositivo semiconductor que puede operar como una resistencia variable en rangos de frecuencias de RF y microondas y es controlado por corriente. La resistencia que presenta el diodo PIN en directa únicamente de la corriente de polarización de DC.

depende

El perno válvula de diodo es un dispositivo electrónico que pertenece a la categoría de los dispositivos electrónicos usted de la energía. Las denominaciones usadas comúnmente para el mismo María José Avilés Conde

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miembro son: válvula de diodo de la energía y de la válvula de diodo P-?-N. El perno válvula de diodo se caracteriza de las tensiones inversas del soportar de la capacidad arriba (50 V) y está en la clase capaz para conducir las altas corrientes directas (1 a). La estructura del perno válvula de diodo introduce una región mucho densamente una, no narcotizado o con la persona mucho débil del drogaggio, región dicha intrínseca e indicado en de las siglas del dispositivo, e interpuesto entre las dos zonas P y N, de los cuales el nombre; tal región intrínseca es necesaria para aumentar la tensión de la abertura. En línea del principio la región intrínseca que es poco narcotizada tendría que fuertemente oponer una resistencia al paso actual que haría la válvula de diodo inutilizable. No está por lo tanto en lugar de otro, porque durante la fase de la conducción directa las regiones P y los portadores del iniettano N de la carga (los boquetes y los electrones, respectivos) esos ellas enormemente reducen la resistencia de la región intrínseca. Las características peculiares que distinguen el perno válvula de diodo de la válvula de diodo para empalmar el PN, (también dicha válvula de diodo de la marca ellas para distinguirla de la válvula de diodo de la energía) son los fenómenos de la recuperación reversa y de la recuperación delantera. Este tipo de válvulas de diodo se utiliza en los circuitos que como trabajo del ejemplo a las tensiones arriba (la energía comercial) y que manejan cantidades importantes de energía. Vienen también los emplean eventual en las primeras etapas RF de las radios profesionales de los receptores a usted como supresores de la marca, haciendo la parte de un rifle automático del circuito del aumento (CAG). Un diodo PIN en montaje “beam-lead”, tiene un tamaño pequeño respecto a la longitud de onda, una alta velocidad de conmutación y baja reactancia parásita, lo cual hace de él un componente ideal para utilizarlo en circuitos de control de señal de RF de gran ancho de banda ocupando una pequeña superficie. El diodo PIN utilizado es el HPND-4005 de Agilent,[4] , [5]. APLICACIONES El fotodiodo PIN es el detector mas utilizada en los sistemas de comunicación óptica. Es relativamente fácil de fabricar, altamente fiable, tiene bajo ruido y es compatible con circuitos amplificadores de tensión. Además es sensible a un gran ancho de banda debido a que no tiene mecanismo de ganancia. María José Avilés Conde

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El diodo PIN se compone básicamente de unas zonas p y n altamente conductoras junto a una zona intrínseca poco conductiva. Los fotones entran en la zona intrínseca generando pares electrón-hueco. El diodo se polariza inversamente para acelerar las presentes en esta zona intrínseca, que se dirigen electrodos, donde aparecen como corriente.

cargas a los

El proceso es rápido y eficiente. Como no hay mecanismo de ganancia, la máxima eficiencia es la unidad y el producto ganancia por ancho de banda coincide con ésta última. Detectores de luz En el lado del receptor es necesario recuperar transmitida a diferentes longitudes de onda.

la

señal

Debido a que los foto detectores son aparatos de banda ancha por naturaleza la señal óptica debe ser demultiplexada antes de llegar al detector. Existen principalmente 2 tipos de foto detectores los positiveintrinsic-negative (PIN) photodiode y los avalanche photodiode (APD). Los PIN funcionan como los LEDs pero con funciones inversas, esto es, la luz es absorbida en vez de ser emitida y los fotones se convierten a electrones con una relación 1:1. APD son dispositivos similares a los PIN photodiodes pero con la diferencia de que tienen una ganancia de potencia debido a un proceso de amplificación. Un fotón libera varios electrones. Los foto diodos PIN son baratos y confiables mientras que los APD son más sensibles y precisos pero su funcionamiento se ve afectado por la temperatura. Sin embargo estos últimos pueden encontrar uso en sistemas con requerimientos especiales. Unidades de Conmutación como lo muestra el siguiente circuito:

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2.8 Diodo Esaki En 1958, el físico japonés Esaki, descubrió que los diodos semiconductores obtenidos con un grado de contaminación del material básico mucho mas elevado que lo habitual exhiben una característica tensión-corriente muy particular. La corriente comienza por aumentar de modo casi proporcional a la tensión aplicada hasta alcanzar un valor máximo, denominado corriente de cresta. A partir de este punto, si se sigue aumentando la tensión aplicada, la corriente comienza a disminuir y lo siga haciendo hasta alcanzar un mínimo, llamado corriente de valle, desde el cual de nuevo aumenta. El nuevo crecimiento de la corriente es al principio lento, pero luego se hace cada vez mas rápido hasta llegar a destruir el diodo si no se lo limita de alguna manera. Este comportamiento particular de los diodos muy contaminados se debe a lo que los físicos denominan efecto túnel, del que no nos ocuparemos aquí debido a su complejidad. Para las aplicaciones prácticas del diodo túnel, la parte mas interesante de su curva característica es la comprendida entre la cresta y el valle. En esta parte de la curva a un aumento de la tensión aplicada corresponde una disminución de la corriente; en otros términos, la relación entre un incremento de la tensión y el incremento resultante de la corriente es negativa y se dice entonces que esta parte de la curva representa una "resistencia incremental negativa". Una resistencia negativa puede compensar total o parcialmente una resistencia positiva. Así, por ejemplo, las pérdidas que se producen en un circuito resonante a causa de la presencia siempre inevitable de cierta resistencia en el, se compensa asociando al circuito una resistencia negativa de valor numérico conveniente y realizada por ejemplo, mediante un diodo túnel. En tal caso el circuito oscilante se transforma en un oscilador. Los ejemplo de circuito que se describen a continuación muestra como puede aprovecharse este fenómeno en la práctica. Estos diodos tienen una ensambladura pesadamente de par en par dopada del p-n solamente algunos 10 nm ( 100 Å ). El doping pesado da lugar a un bandgap quebrado, donde los estados del electrón de la venda de conducción en el n-lado se alinean más María José Avilés Conde

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o menos con los estados del agujero de la banda de la valencia en el p-lado. Comparaciones técnicas

Una aproximación áspera de la curva VI para un diodo del túnel, demostrando la región de resistencia diferenciada negativa. En un diodo convencional del semiconductor, la conducción ocurre mientras que se polariza hacia adelante la ensambladura del PN y bloquea flujo actual cuando la ensambladura es en polarización negativa reverso. Esto ocurre hasta un punto conocido como el ' voltaje de interrupción reverso ' cuando la conducción comienza (acompañado a menudo por la destrucción del dispositivo). Del diodo del túnel, la concentración de dopant en las capas de P y de N se aumenta al punto donde el voltaje de interrupción reverso se convierte en cero y a las conductas del diodo en la dirección contraria. Sin embargo, cuando es forward-biased, un efecto impar ocurre el ' hacer un túnelmecánico llamado del quántum' que da lugar a una región donde un aumento en voltaje delantero es acompañado por una disminución de la corriente delantera. Esta región de resistencia negativa se puede explotar en una versión de estado sólido del oscilador del dinatrón que utiliza normalmente una válvula termoiónica del tetrodo (o el tubo). El diodo del túnel demostró gran promesa como un oscilador y dispositivo de alta frecuencia del umbral (disparador) puesto María José Avilés Conde

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que funcionaría en las frecuencias lejos mayores que el tetrodo , en hecho en la microonda congriega bien. Sin embargo, desde su descubrimiento, dispositivos de semiconductor más convencionales han sobrepasado su funcionamiento usando técnicas convencionales del oscilador. Los diodos del túnel son también relativamente resistentes a la radiación nuclear, con respecto a otros diodos. Esto los hace satisfechos bien a ambientes más altos de la radiación, tales como ésos encontrados en usos del espacio. La razón es que este diodo puede reemplazar algunos de los circuitos de un chip típico. Su diseño será menos complicado, sin reducir su rendimiento. El nuevo diodo conduce 150.000 ampers por centímetro cuadrado de su material, tres veces más que el diodo unitúnel de silicio más parecido. Los diodos unitúnel se llaman así porque explotan el conocido efecto túnel de la mecánica cuántica, que permite a los electrones pasar a través de barreras sin ser perturbados. Los primeros diodos unitúnel fueron creados en los años 60, y proporcionaron el premio Nobel al físico Leo Esaki, en 1973. Desde entonces, para conseguir diodos más potentes, los investigadores han empleado materiales progresivamente más caros y exóticos, que no son compatibles con el silicio, pero que permiten obtener propiedades no disponibles en este último. La mayoría de diodos unitúnel modernos restringen los movimientos de los electrones a un nivel de energía o “banda”, dentro del cristal semiconductor. Los de Esaki, en cambio, permitían a los electrones pasar entre diferentes bandas de energía. El equipo de Berger, inspirándose en esta última tecnología, ha desarrollado una nueva técnica para crear estructuras de silicio que contienen cantidades inusualmente altas de otros elementos químicos (dopantes), como boro y fósforo. Depositaron capas de silicio y silicio-germano en estructura que medía sólo unos pocos nanómetros de alto.

una

Entonces, descubrieron que cambiando el grosor de la capa central “separadora”, donde los electrones experimentan el efecto túnel, se podía ajustar la cantidad de corriente que pasaba a través del material. Esto debía hacerse con un diseño que mantuviera al boro y al fósforo separados, sin mezclarse. La capacidad del nuevo diodo de operar en condiciones de baja energía lo hace ideal para dispositivos que generan señales de radio-frecuencia, como teléfonos domésticos sin hilos y María José Avilés Conde

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TIPOS DE DIODO

celulares. Con escasa entrada de energía, el generar una señal potente, reduciendo el consumo.

diodo

puede

En los átomos aislados, es decir, tan alejados de otros que no sea apreciable la interacción con éstos, los electrones corticales están distribuidos energéticamente según valores discretos que vienen determinados por las soluciones de la ecuación fundamental de la Mecánica Cuántica que es la Ecuación de Schrödinger (E.S.) (Schrödinger y Dirac , Nobel de Física en 1933). A cada electrón cortical corresponden números cuánticos: n, l, m l, y m s .

4

números

denominados

El número cuántico n determina el nivel energético o lo que es lo mismo su mayor o menor alejamiento del núcleo. La energía de los electrones es negativa (hay que aportar energía para desligarlos del átomo) y mayor energía equivale a más alejamiento del núcleo. Así pues, los electrones sólo pueden poseer unos niveles energéticos determinados, y cualquier otra energía estaría "prohibida". Este modelo de niveles de energía discretos, está de acuerdo con las observaciones sobre emisión y absorción de luz en gases incandescentes, donde se observan espectros discretos. En un sólido cristalino existe una distribución regular de átomos en el espacio, que constituye la llamada red cristalina. En algunos sólidos esta distribución regular se manifiesta macroscópicamente en formas geométricas llamadas cristales, (cuarzo, diamante, ..). En los sólidos cristalinos, las interacciones entre los átomos de la red hacen que el problema de la distribución energética de los electrones sea muchísimo más complicado que en un átomo aislado pero, dentro de los postulados de la M.C., resulta razonable suponer que los niveles permitidos al conjunto de electrones del sólido, se acumulan en bandas de energía separadas unas de otras por intervalos o bandas de energía prohibidas. La emisión de luz por sólidos incandescentes es un hecho experimental que avala la anterior hipótesis. Dentro de cada banda permitida los niveles estarían tan próximos entre sí, que las consideraremos bandas permitidas continuas. Si suponemos un sólido cristalino a la temperatura de 0 K (situación inalcanzable), los electrones ocuparían los niveles de energía permitidos más bajos posibles. Cabrían dos posibilidades:

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DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS 1. La banda parcialmente.

permitida

TIPOS DE DIODO de

mayor

energía

está

ocupada

2. La banda permitida de mayor energía está totalmente vacía y todas las demás están llenas. La banda de mayor energía, tanto si está vacía ó parcialmente llena, se llama banda de conducción, mientras que la siguiente de menor energía la llamaremos banda de valencia. En el primer caso, los electrones de la banda de conducción pueden tomar energía de un campo eléctrico aplicado y pasar a niveles superiores compatibles con el principio de exclusión de Pauli incrementando su momento cinético. La interacción con partículas del cristal podrá dar lugar a saltos de energía a la inversa. Esto supone desde luego el abandono del cero absoluto y la aparición de un desplazamiento de la carga eléctrica, es decir una corriente. El material por tanto sería un conductor. Tal es el caso de los metales. En el segundo caso, en las bandas totalmente llena no son posibles las interacciones que supongan saltos de unos niveles a otros, según el principio de exclusión. Las interacciones posibles implicarían saltos a la banda de conducción (que está totalmente vacía), pero la cantidad de energía necesaria sería muy grande y el proceso no puede darse cerca del cero absoluto. Por lo tanto, a bajas temperaturas, el material tiene un comportamiento de aislante. Es el caso de los materiales no metálicos con enlaces cristalinos covalentes. La distinción clara entre metales y no metales a bajas temperaturas desaparece cuando nos alejamos del cero absoluto. En efecto, la agitación térmica permite los saltos desde la banda de valencia a la de conducción, con lo que ésta aparece parcialmente ocupada como en los metales. En los metales a temperaturas de trabajo, un aumento de la temperatura se traduce en un aumento de la agitación térmica, lo que a su vez produce una mayor frecuencia de las interacciones entre electrones y partículas y por consiguiente, una disminución del recorrido medio de los electrones entre choques, una disminución de la velocidad media de los mismos y finalmente una disminución de la conductividad. En los materiales cristalinos no metálicos, un incremento de la temperatura aumenta la probabilidad de saltos desde la banda de valencia a la de conducción. Al quedar ambas parcialmente ocupadas, ya son posibles los intercambios de energía entre niveles de la misma banda. A la vez aumenta la agitación térmica como en los metales. María José Avilés Conde

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Se trata de los mecanismos opuestos y no se puede afirmar si la conductividad aumentará o disminuirá. De hecho puede ocurrir lo uno por otro, según el orden de magnitud de la temperatura. En los metales, los electrones que ocupan la banda de conducción son los electrones no ligados a átomos individuales y constituyen lo que suele denominarse gas de Fermi. La imagen no cuántica (clásica) sería la de una especie de plasma de electrones en el que están inmersos los átomos ionizados (enlaces metálicos). El resto de los electrones ligados a átomos individuales ocuparían las bandas inferiores (totalmente llenas). APLICACIONES  En medicina, el diodo podría posibilitar una conexión para diagnósticos entre los marcapasos y otros implantes y el exterior, evitando que salgan hilos de la piel de los pacientes, que en ocasiones causan infecciones. 

Generador de pulsos ultracortos:

Quien haya trabajado en circuitos de vídeo de y de gran ancho de banda sabrá que la forma mas rápida de saber la frecuencia de corte superior de un circuito es medir su tiempo de subida con el osciloscopio. Para ello se aplica una onda cuadrada a la entrada y se mide el tiempo que tarda en cambiar del 10 % al 90% de valor máximo. La frecuencia de corte superior ( para una caída de 3 dB) en función del tiempo de subida es: F (Mhz) = 350 / Ts (ns) Para saber la frecuencia de corte superior dividimos 350 por el tiempo de subida en ns.

en

megahertzios

Asi un amplificador con una frecuencia de corte de 10 Mhz tiene un tiempo de subida de 35 ns, y un tiempo de subida de 1 ns corresponderá a una frecuencia de corte de 350 Mhz. Para que estas medidas sean correctas la onda cuadrada que se introduce a la entrada debe tener un tiempo de subida menor que la del dispositivo que se pretende medir. Por ello si se pretende trabajar a frecuencias por encima de los 25 Mhz es conveniente un generador con tiempos de subida del orden del ns.

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Estos dispositivos si son comerciales son lo bastante caros como para no ser accesible para un aficionado. Por ello he desarrollado este simple accesorio que aplicándoselo a la salida de un generador de señales de BF nos permite obtener pulsos u ondas cuadradas con tiempos de subida inferiores a 1ns. Este montaje tan solo tiene el truco de emplear un semiconductor que hoy pertenece casi casi al recuerdo. Se trata de un diodo túnel o Esaki. Esquema del circuito

Como se puede ver el circuito es tremendamente simple. El diodo empleado es un 1N3716 de General Electric, es un diodo de uso general y bastante corriente. Seguramente que con cualquier otro diodo funcionara también. Para construirlo basta con soldar tres conectores hembra BNC de 50 ohmios a una placa de circuito impreso y soldar los componentes. Con un generador de funciones inyectamos una señal sinusoidal en J1, ajustado un poco el nivel enseguida se obtiene en J2 una señal de pulsos y en J3 una señal cuadrada. Hay que tener en cuenta que este circuito esta pensado para atacar cargas de 50 ohmios. Es caso de que se quieran ver las señales con alta impedancia se deberían soldar sendas resistencias de 50 ohmios en J2 y J3.

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Al ajustar la frecuencia del generador ajustamos la de los pulsos. Si no tenemos un generador podemos construir cualquier oscilador con un 555 y aplicarla. Tan solo conectar un potenciómetro a la salida para ajustar el nivel. La fotografía siguiente muestra en la pantalla de un osciloscopio simultáneamente las señales J2 y J3. Como se ve la señal sinusoidal de 5 V pp ha sido transformada en cuadrada con unos tiempos de conmutación muy breves.

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2.9 DIODO LÁSER

El diodo láser es un dispositivo semiconductor similar a los diodos LED pero que bajo las condiciones adecuadas emite luz láser. A veces se los denomina diodos láser de inyección, o por sus siglas inglesas LD o ILD. El diodo láser se obtuvo como resultado de la continuación del desarrollo del diodo LED. La palabra LASER proviene de las siglas en inglés: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

Esto se refiere a un extraño proceso cuántico, donde la luz característica emitida por electrones cuando estos pasan de un estado de alta energía a un estado de menor energía, estimulan a otros electrones para crear "saltos" similares. El resultado es una luz sincronizada que sale del material. Otra característica importante es que la luz emitida no sólo tiene la misma frecuencia (color), sino también la misma fase. (también está sincronizada). Este es el motivo por el cual luz láser se mantiene enfocada aún a grandes distancias. En el caso de una fuente de luz blanca común, esta genera todos los diferentes colores (a sus respectivas frecuencias) en forma de rayos dispersos (van en diferentes direcciones) y no están en fase.

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En el caso de una fuente de luz láser todos los rayos son del mismo color (monocromáticos) o lo que es lo mismo, tienen la misma frecuencia y están en fase

Nota: los colores del gráfico no guardan relación con colores ni la frecuencia que irradia la luz en la realidad

los

Los diodos LED comunes, irradian una sola luz (son monocromáticos), una sola frecuencia, pero no están en fase y se propagan en forma dispersa. En cambio los diodos LASER, producen una luz coherente. Esta luz no sólo es monocromática (un solo color), sino que es monofásica (están en fase), resultando en un rayo de luz muy preciso. Los diodos LASER tienen una gran cantidad de aplicaciones, lectura y escritura de discos ópticos, donde sólo un rayo de luz muy angosto puede ver una área microscópica en la superficie de un disco. Para mediciones precisas en donde es indispensable un rayo de luz que no se disperse. Algunos diodos láser requieren de circuitos que generen pulsos de alta potencia , para entregar grandes cantidades de voltaje y corriente en pequeños instantes de tiempo. Otros diodos láser necesitan pero a menor potencia.

María José Avilés Conde

de

un

funcionamiento

continuo

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Con el envejecimiento los diodos láser podrían necesitar mas corriente para generar la misma potencia entregada. Pero no hay que olvidarse que estos elementos tiene una vida muy larga. Ejemplo: el diodo LED común que tiene una vida útil de 10,000 horas en promedio Cuando un diodo convencional o LED se polariza en directa, los huecos de la zona p se mueven hacia la zona n y los electrones de la zona n hacia la zona p; ambos desplazamientos de cargas constituyen la corriente que circula por el diodo. Si los electrones y huecos están en la misma región, pueden recombinarse cayendo el electrón al hueco y emitiendo un fotón con la energía correspondiente a la banda prohibida (véase semiconductor). Esta emisión espontánea se produce en todos los diodos, pero sólo es visible en los diodos LED que tienen una disposición constructiva especial con el propósito de evitar que la radiación sea reabsorbida por el material circundante, y una energía de la banda prohibida coincidente con el espectro visible; en el resto de diodos, la energía se disipa en forma de radiación infrarroja. En condiciones apropiadas, el electrón y el hueco pueden coexistir un breve tiempo, del orden de milisegundos, antes de recombinarse, de forma que si un fotón con la energía apropiada pasa por casualidad por allí durante ese periodo, se producirá la emisión estimulada (véase láser), es decir, al producirse la recombinación el fotón emitido tendrá igual frecuencia, polarización y fase que el primer fotón. En los diodos láser, el cristal semiconductor tiene la forma de una lámina delgada lográndose así una unión p-n de grandes dimensiones, con las caras exteriores perfectamente paralelas. Los fotones emitidos en la dirección adecuada se reflejarán repetidamente en dichas caras estimulando a su vez la emisión de más fotones, hasta que el diodo comienza a emitir luz láser, que al ser coherente debido a las reflexiones posee una gran pureza espectral. La luz láser es una luz de frecuencia (color) muy definida. Hay muchos tipos de láseres. Uno de estos tipos, el diodo láser, juega un papel fundamental en nuestra sociedad ( ver aplicaciones ).

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Hay dos tipos de diodos láser: Diodo láser de emisión lateral

Diodo láser de emisión vertical

La entrada directa de la luz del láser semiconductor a los ojos humanos es muy peligrosa. Por favor, no asome a la luz de láser ni mire a través del sistema óptico. Si hay posibilidad de haber reflejos de la luz, proteja por favor usando las gafas de seguridad de modo que la luz no entre directamente a su ojo. Los diodos láser son constructivamente diferentes a los diodos LED normales. Las características de un diodo láser son: La emisión de luz es dirigida en una sola dirección: Un diodo LED emite fotones en muchas direcciones. Un diodo láser, en cambio, consigue realizar un guiado de la luz preferencial una sola dirección.

Corte esquemático de la emisión de luz en diodos LED y láser María José Avilés Conde

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Intensidad de luz diodos LED y láser

en

TIPOS DE DIODO

función

de

la

longitud

de

onda

para

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 María José Avilés Conde

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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. ¿CÓMO SE HACEN? El láser está compuesto de muchas capas de material semiconductor. Las capas superiores e inferiores actúan de espejos. Al aplicar una diferencia de potencial a los espejos hay una corriente eléctrica que atraviesa el láser. Si ésta es suficientemente intensa, las amplifican la luz en el interior del láser.

capas

centrales

La fracción de la luz que atraviesa los espejos forma el haz láser que se ve. Este viaja perpendicular a los espejos.

Las distintas capas del láser se forman “pintando con spray” capas cristalinas con precisión atómica con técnicas como la epitaxia de haces moleculares (MBE). El ancho típico de la capa de semiconductor donde se amplifica la luz es de 5 millonésimas de milímetro. Todos los láseres de diodo están construidos con materiales semiconductores, y tienen las propiedades características de los diodos eléctricos. Por esta razón reciben nombres como: >

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Láseres de semiconductor - por los materiales que los componen Láseres de diodo - ya que se componen de uniones p-n como un diodo Láseres de inyección - ya que los electrones son inyectados en la unión por el voltaje aplicado La utilización tanto en I+D como comercial de los láseres de diodo ha cambiado dramáticamente en los últimos 20 años. Hoy en día el número de láseres de diodo vendidos en un año se mide en millones, mientras que todos los demás tipos de láser juntos se miden en millares. De hecho, la familia actual de láseres de diodo es utilizada en productos de alto consumo como: CD -Compact Discs, Impresoras Láser, Escáners y comunicaciones ópticas. El diodo láser fue inventado en tres investigación en USA de modo independiente.

laboratorios

de

Los investigadores consiguieron radiación electromagnética coherente de un diodo de unión p-n en base al material semiconductor GaAs - Arsenuro de Galio. Haremos ahora una pequeña introducción básica: Los Semiconductores En general, los sólidos pueden dividirse entres grupos: Aislantes Materiales que no son conductores electricidad como cuarzo , diamante , goma o plástico

de

la

Conductores- Materiales que son conductores de la electricidad como oro , plata , cobre Semiconductores- Materiales con una conductividad eléctrica intermedia entre materiales conductores y no conductores Ejemplos: Ge, Si, GaAs, InP, GaAlAs. La conductividad de un semiconductor aumenta con la temperatura (explicado más tarde), contrariamente a lo que sucede con los materiales metálicos, cuya conductividad disminuye con la temperatura debido al aumento del nivel vibracional de los átomos.

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Niveles energéticos En un gas, cada átomo ó molécula está (bajo el punto de vista energético) a gran distancia de sus vecinos, con lo que puede considerarse aislado. Podemos considerar del mismo modo a unos pocos átomos de un material (que actúan como átomos de impurezas) que son añadidos a un medio homogéneo sólido de otro material. En contraste con los niveles energéticos separados existentes en un gas o en un pequeño número de átomos de impurezas en un sólido homogéneo, los electrones en un semiconductor están en bandas energéticas, que , efectuando una simulación , se componen de agrupaciones de un gran número de niveles energéticos por efectos cuánticos. Estas bandas de energía corresponden a todo el material, no estando asociadas a un sólo átomo. La anchura de la banda aumenta a medida que decrece la distancia entre los átomos y aumenta la interacción entre ellos. Las bandas energéticas en un semiconductor pueden ser de dos tipos: Banda de Valencia - Los electrones en una banda de valencia están ligados a los átomos del semiconductor. Banda de Conducción - Los electrones en una banda de conducción pueden moverse por el semiconductor. La separación entre la banda de valencia y la de conducción se denomina la Brecha de Energía, no existiendo ningún nivel energético posible dentro de ésta zona. Si un electrón de la banda de valencia consigue suficiente energía, puede " saltar " la brecha de energía para introducirse en la banda conductora. Las bandas de energía llenas son aquellos niveles energéticos de los electrones internos, ligados al átomo, que no participan en los enlaces entre los átomos del sólido. Para que un sólido conduzca la electricidad, los electrones necesitan moverse en el sólido. En un aislante - la banda de valencia está llena de electrones, con lo que los electrones no pueden moverse dentro de la banda. Para que exista una conducción de electricidad, los electrones de la banda de valencia deben pasar a la banda de conducción. María José Avilés Conde

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En consecuencia, debe suministrarse una energía superior a la brecha de energía a los electrones de la banda de valencia, a fin de conseguir su transferencia a la banda de conducción. Como la brecha de energía es grande, ésta evita el paso, y en consecuencia, los aislantes son poco conductores. La estructura de los niveles energéticos de un aislante pueden verse en la figura

Niveles energéticos de un aislante En un conductor - (metal) Las bandas de valencia y de conducción se sobreponen, por lo que en la práctica la brecha de energía es nula. En consecuencia, los electrones necesitan muy poca energía para pasar a la banda de conducción y conducir la electricidad. La estructura de los niveles energéticos de un conductor pueden verse en la figura

Niveles energéticos de un conductor María José Avilés Conde

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En un semiconductor - la brecha de energía es muy pequeña, por lo que se requiere muy poca energía para transferir los electrones de la banda de valencia a la de conducción. Hasta la temperatura ambiente proporciona la energía suficiente. Aumentando la temperatura, más y más electrones serán transferidos a la banda de conducción. En consecuencia aumenta la conductividad con la temperatura. La estructura de los niveles energéticos de un semiconductor pueden verse en la figura

Niveles energéticos de un semiconductor> Cuando se transfiere un electrón de la banda de valencia a la de conducción, se crea un " agujero " en la banda de valencia. Estos " agujeros " se comportan como cargas positivas que se mueven por la banda de valencia como consecuencia de aplicar un voltaje. En el proceso de la conducción eléctrica participan tanto los electrones que están en la banda de conducción como los " agujeros positivos " que permanecen en la banda de valencia originados por el " salto " de electrones a la banda de conducción. A fin de carga en extra de de estas

controlar el tipo y densidad de los " portadores " de un semiconductor, se añaden impurezas con un número " portadores " de carga al semiconductor. Los átomos impurezas son eléctricamente neutros.

Las Impurezas En un material semiconductor " puro “, la estructura de las bandas y la brecha de energía están determinadas por el propio material. Añadiendo otro material con portadores de carga, aparecen niveles de energía adicionales dentro de la brecha.

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Si la impureza contiene más electrones que el propio material semiconductor puro, los portadores de carga añadidos son negativos (electrones), y el material se denomina " semiconductor de tipo n”. En este tipo de materiales aparecen niveles energéticos adicionales muy cercanos a la banda de conducción, con lo que es suficiente con un aporte pequeño de energía para hacerlos saltar a la banda de conducción, de modo que tenemos más portadores de carga libres para conducir la electricidad. Si la impureza contiene menos electrones que el material semiconductor, los niveles energéticos extras aparecen cerca de la banda de valencia. Los electrones de la banda de valencia pueden saltar a estos niveles fácilmente, dejando atrás " agujeros positivos”. Este tipo de material se denomina " semiconductor de tipo p” En la figura se describe la influencia de la impurezas en la anchura de las bandas de energía

adición

de

Niveles energéticos de un semiconductor El proceso Láser en un Semiconductor Cuando unimos un semiconductor tipo "p" a otro tipo "n”, obtenemos una " unión p-n” Esta unión p-n conduce la preferente (hacia adelante).

electricidad

en

una

dirección

Este aumento direccional de la conductividad es un mecanismo común en todos los diodos y transistores utilizados en la electrónica. Y es la base del proceso láser que tiene lugar entre las bandas de energía de la unión.

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La Figura muestra las bandas de energía ideales de una unión pn, sin aplicar un voltaje externo.

Niveles de energía de una unión p-n sin voltaje aplicado El nivel máximo de energía ocupado por electrones se denomina Nivel de Fermi. Cuando se conecta el polo positivo de un voltaje a la cara p de la unión p-n, y el negativo a la cara n, se establece un flujo de corriente a través de la unión p-n. Esta conexión se denomina Voltaje dirigido hacia adelante o positivo. Si se conecta con la polaridad inversa (polo + a la cara "n" y polo - a la cara "p”) se denomina Voltaje dirigido hacia atrás o negativo; éste causa un aumento de la barrera de potencial existente entre las partes p y n, con lo que evita el paso de la corriente a través de la unión. Aplicando un voltaje en una unión p-n Cuando se aplica un voltaje a través de una unión p-n, la población de las bandas de energía cambia. El voltaje puede ser aplicado de dos formas o configuraciones posibles: 1. Voltaje positivo o hacia adelante - significa que el polo negativo del voltaje es aplicado a la cara "n" de la unión, y el polo positivo a la cara "p”, como se muestra en la figura

Bandas de energía de una unión p-n cuando se le aplica un voltaje positivo María José Avilés Conde

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El voltaje hacia adelante o positivo crea portadores extra en la unión, reduciendo la barrera de potencial, y origina la inyección de portadores de carga, a través de la unión, al otro lado. Cuando un electrón de la banda de conducción en el lado "n" es inyectado a través de la unión a un " agujero " vacío en la banda de valencia del lado "p”, tiene lugar un proceso de recombinación (electrón + agujero), y se libera energía En los diodos láser, nuestro interés se concentra en los casos específicos en que la energía es liberada en forma de radiación láser. Se produce un fuerte aumento de la conductividad cuando voltaje positivo es aproximadamente igual a la brecha energía del semiconductor.

el de

Voltaje negativo o hacia atrás - causa un aumento de la barrera de potencial, disminuyendo la posibilidad de que los electrones salten al otro lado. Aumentando el voltaje negativo a valores altos (décimas de voltio) , se puede obtener un colapso del voltaje de la unión ( avalancha ) La construcción de un Diodo Láser Se enseña la estructura básica en capas de un láser de diodo simple en la figura Las capas de los materiales semiconductores están dispuestas de modo que se crea una región activa en la unión p-n, y en la que aparecen fotones como consecuencia del proceso de recombinación. Una capa metálica superpuesta a las caras superior e inferior permite aplicar un voltaje externo al láser. Las caras del semiconductor cristalino están cortadas de forma que se comportan como espejos de la cavidad óptica resonante.

Estructura básica de un láser de diodo María José Avilés Conde

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La Figura describe la forma en que la radiación láser electromagnética es emitida para un láser simple de diodo. La radiación láser tiene forma rectangular y se difunde a diferentes ángulos en dos direcciones.

Perfil de la radiación láser emitida por un diodo láser simple Más tarde describiremos unas estructuras y diseños especiales que permiten confinar la zona activa en una región más pequeña, y controlar así el perfil del haz láser conseguido. Sumario de los Láseres de Diodo hasta éste punto: Los portadores de carga en un láser de diodo son los electrones libres en la banda de conducción, y los agujeros positivos en la banda de valencia. En la unión p-n, los electrones "caen" en los agujeros, que corresponden a niveles de energía más bajos. El flujo de corriente a través de la unión p-n del láser de diodo ocasiona que ambos tipos de portadores (agujeros y electrones) se recombinen, siendo liberada energía en forma de fotones de luz. La energía de un fotón es aproximadamente igual a la de la brecha de energía. La brecha de energía viene determinada por los materiales que componen el diodo láser y por su estructura cristalina. Curva I-V de un Diodo Láser Si la condición requerida para la acción láser de inversión de población no existe, los fotones serán emitidos por emisión espontánea.

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Los fotones serán emitidos aleatoriamente en todas las direcciones, siendo ésta la base de los LED - diodo emisor de luz. La inversión externo.

de

población

sólo

se

consigue

con

un

bombeo

Aumentando la intensidad de la corriente aplicada a la unión pn, se alcanza el umbral de corriente necesario para conseguir la inversión de población. En la figura se muestra un ejemplo de la potencia emitida por un diodo láser en función de la corriente aplicada. Se aprecia enseguida que la pendiente correspondiente a la acción láser es mucho mayor que la correspondiente a un led.

Potencia de emisión de un diodo láser en función de la corriente aplicada. El umbral e corriente para el efecto láser viene determinado por la intersección de la tangente de la curva con el eje X que indica la corriente (esta es una buena aproximación) Cuando el umbral de corriente es bajo, se disipa menos energía en forma de calor, con lo que la eficiencia del láser aumenta. En la práctica, el parámetro importante es la densidad de corriente, medida en A/cm2, de la sección transversal de la unión p-n. Dependencia de los parámetros del diodo láser de la temperatura Uno de los problemas básicos de los diodos láser es el aumento del umbral de corriente con la temperatura. Los operativos a bajas temperaturas requieren bajas corrientes. María José Avilés Conde

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A medida que la corriente fluye por el diodo, se genera calor. Si la disipación no es la adecuada, la temperatura aumenta, con lo que aumenta también el umbral de corriente. Además, los cambios en temperatura afectan a la longitud de onda emitida por el diodo láser. Este cambio se ilustra en la figura y se compone de dos partes: 1.

Un aumento gradual de la longitud de onda proporcional al aumento de temperatura, hasta que:

emitida

2. Se produce un salto a otro modo longitudinal de emisión

cambio de la longitud de onda emitida en función de la temperatura Debido a estas variaciones con la temperatura, se necesitan diseños especiales para poder conseguir una emisión continua de alta potencia. Confinamiento de la luz dentro de la zona activa Un factor importante en la construcción de un diodo láser es el confinamiento de la luz dentro del área activa. Dicho confinamiento se acompaña por la deposición de distintos materiales cerca de la zona activa. En consecuencia, la primera clasificación de los láseres de diodo considera los tipos de estructura cercanos a la zona activa El nombre de cada grupo o familia viene dado por el tipo de materiales existentes cerca de la capa activa: Homojunction láser Láser de unión homogénea - Todo el láser está constituido por un mismo material, normalmente GaAs - Arsenuro de Galio.

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En este tipo de estructura simple, los fotones están confinados en direcciones perpendiculares láser, con lo que su eficiencia es muy baja.

emitidos no al eje del

Single Heterostructure Estructura heterogénea simple - En un lado de la capa activa existe otro material con una brecha de energía diferente. Esta diversidad de brechas de energía motiva un cambio en el índice de refracción de los materiales, de modo que se pueden construir estructuras en guía de ondas que confinan a los fotones en un área determinada. Normalmente, la segunda capa es de un material similar al de la primera, solo que con un índice de refracción menor. Ejemplo: El GaAs - Arsenuro de Galio - y el GaAlAs - Arsenuro de Galio Aluminio - son materiales próximos utilizados habitualmente. Double Heterostructure Estructura heterogénea doble - Un material distinto se coloca a ambos lados de la capa activa , con un índice de refracción menor (mayor brecha de energía) . Este tipo de estructuras confinan la luz dentro de la capa activa, por lo que son más eficientes. Ejemplo: Capa activa de GaAs confinada entre dos capas de GaAlAs. Distintas Estructuras de los Diodos Láser Hoy en día una estructura habitual es una tira estrecha de la capa activa (Stripe Geometry - Geometría en tiras), confinada por todos los lados (tanto por los lados como por arriba y abajo) con otro material. Esta familia de láseres se Láseres orientados al índice

denomina

Index

Guided

Lasers

-

En la figura se detallan distintas estructuras de confinamiento utilizadas.

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TIPOS DE DIODO

Ejemplos de distintos tipos de estructura de confinamiento Diodos Láser orientado a Ganancia - Gain Guided Aislando los electrodos metálicos en las partes superior e inferior, se limita la zona por donde pasa la corriente. Como resultado, la inversión de población sólo tiene lugar en la zona específica por donde pasa la corriente. Un ejemplo está en la figura 6-28 (última figura) , en donde un electrodo de tira delgada se sobrepone al material láser . La corriente limita el área en la zona activa en donde puede existir el efecto de amplificación, y ésta sólo podrá existir en ésta zona. Las ventajas de este tipo de láseres de diodo son: 1. Fáciles de producir 2. Es relativamente fácil conseguir una potencia alta, ya que al aumentar la corriente aumenta la zona activa Las desventajas son: 1. La calidad del haz obtenido es menor que con los orientados al índice. 2. Es más difícil conseguir una emisión estable en frecuencia simple. María José Avilés Conde

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TIPOS DE DIODO

Monturas de los Láser de Diodo Se requieren monturas especiales para los láseres de diodo, debido a su tamaño miniaturizado, para poder ser operativos y cómodos. Existen muchos tipos de monturas, pero quizás el más estándar es similar a un transistor, e incluye en la montura las ópticas necesarias para colimar el haz

Montura de un láser de diodo comercial

Sección perpendicular Para poder obtener más potencia de los láseres de diodo, se han desarrollado matrices de diodos láser, que emiten sincronizadamente, y que están ópticamente acoplados, de modo que se alcanzan las décimas de vatio. Los láser a diferencia de los LEDs tienen características de desempeño que se adaptan mejor a fibras mono-modo. Su luz es mas monocromática (menos ancha en el espectro), tiene mayor potencia que los LEDs y mayor capacidad de ancho de banda. La siguiente figura muestra el principio de lanzar un láser en una fibra. El láser emite la señal hacia ambos lados del chip emisor, una señal va a la fibra y la otra a un foto-diodo que María José Avilés Conde

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TIPOS DE DIODO

se encarga de monitorear la señal de salida del láser para poder hacer ajustes.

Entre los requerimientos de un láser tenemos longitud de onda precisa, espectro angosto, suficiente potencia y control de chirp (cambio de la frecuencia de la señal en el tiempo). Los láser semiconductores cumplen los 3 requerimientos iniciales, sin embargo el chirp puede verse afectado por el tipo de modulación que se utilice. 2 tipos de láser semiconductores son ampliamente usados, monolithic Fabry-Perot láser y distributed feedback láser (DFB). Este ultimo tipo de láser (DFB) se adapta muy bien para su uso en tecnologías DWDM debido a que emite luz que esta muy cerca de ser monocromática, tiene gran potencial en cuanto a ancho de banda, tiene una relación señal/ruido muy favorable y su linealidad es superior a los demás láser. Los DFB tienen frecuencias cercanas a los 1310 nm y 1520 a 1565 nm. Este último rango de longitudes de onda es compatible con los EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier). Existen otra gran cantidad de tipos de láser pero en su mayoría no son convenientes para ser usados con DWDM ya que su espectro es muy ancho, entre 100 y 200 GHz. Ventajas de los diodos láser o

Son muy eficientes ( más del 20% de la energía suministrada se consigue en forma de radiación láser )

o o

Son muy fiables Tienen vidas medias muy largas (¡estimadas en más de 100 años de operación continuada!). Son muy baratos ( se construyen con técnicas de producción en masa utilizadas en la industria electrónica ) Permiten la modulación directa de la radiación emitida, simplemente controlando la corriente eléctrica a través de la unión p-n. La radiación emitida es función lineal de la corriente, pudiéndose modular a décimas de GHz.

o o

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TIPOS DE DIODO

Ejemplo: En un sistema experimental, y utilizando fibras ópticas de modo simple, se transmite información a 4 [GHz], lo que es equivalente a la emisión simultánea de 50,000 llamadas telefónicas en una fibra (cada llamada ocupa una banda de frecuencia de 64 [KB/s]). Volumen y peso pequeños 

Umbral de corriente muy bajo

 

Consumo de energía muy bajo Banda del espectro estrecha , que puede llegar a ser de unos pocos kilo-Herz en diodos láser especiales

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TIPOS DE DIODO

2.10 Diodo Zenner

La aplicación de estos diodos se ve en los Reguladores de Tensión y actúa como dispositivo de tensión constante (como una pila). Símbolo:

Característica Su gráfica es de la siguiente forma:

Un diodo normal también tiene una zona de ruptura, pero no puede funcionar en él, con el Zener si se puede trabajar en esa zona.

La potencia máxima que resiste en la "Zona de Ruptura" ("Zona Zener"):

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TIPOS DE DIODO

En la zona de ruptura se produce el "Efecto Avalancha" "Efecto Zener", esto es, la corriente aumenta bruscamente.

ó

Para fabricar diodos con un valor determinado de tensión de ruptura (V Z ) hay que ver la impurificación porque V Z es función de la impurificación (N A ó N D ), depende de las impurezas.

La zona de ruptura no es una vertical, realmente tiene una inclinación debida a R Z:

En un "Diodo Zener Real" todos son curvas, pero para facilitar los cálculos se aproxima siempre.

Las aproximaciones para el zener son estas: Modelo ideal (1ª aproximación)

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Si buscamos tensión V Z.

su

equivalente

TIPOS DE DIODO

veremos

que

es

una

pila

con

la

Esto solo es válido entre I Zmín y I Zmáx . 2ª aproximación

Como en el equivalente:

caso

anterior

lo

sustituimos

por

un

modelo

Simulación

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TIPOS DE DIODO

El circuito es un limitador con diodos zener. En este circuito, cuando un diodo esta polarizado en directa, el otro diodo lo estará en inversa. Se utiliza la segunda aproximación de los diodos. Podemos variar la escala de la gráfica modificando la escala del eje y. Cada vez que "Calcular".

se

Para realización equivalencias:

introduzcan de

esta

nuevos

datos,

simulación

se

R L = Rload

pulsar han

el

botón

tomado

estas

V L = Vload

Un diodo Zener, es un diodo de silicio que se ha construido para que funcione en las zonas de rupturas. Llamados a veces diodos de avalancha o de ruptura, el diodo Zener es la parte esencial de los reguladores de tensión casi constantes con independencia de que se presenten grandes variaciones de la tensión de red, de la resistencia de carga y temperatura. Resistencia Zener Un diodo zener, como cualquier diodo, tiene cierta resistencia interna en sus zonas P y N; al circular una corriente a través de éste se produce una pequeña caída de tensión de ruptura.

En otras palabras: si un diodo zener está funcionando en la zona zener, un aumento en la corriente producirá un ligero aumento en la tensión. El incremento es muy pequeño, generalmente de una décima de voltio.

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TIPOS DE DIODO

Los diodos Zener mantienen la tensión entre sus terminales prácticamente constante, cuando están polarizados inversamente, en un amplio rango de intensidades y temperaturas, por ello, este tipo de diodos se emplean en circuitos estabilizadores o reguladores de la tensión tal y como el mostrado en la figura. Eligiendo la resistencia R y las características del diodo, se puede lograr que la tensión en la carga (R L ) permanezca prácticamente constante dentro del rango de variación de la tensión de entrada V S.

Para elegir la resistencia limitadora R adecuada hay que calcular primero cual puede ser su valor máximo y mínimo, después elegiremos una resistencia R que se adecue a nuestros cálculos.

Donde: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Rmin es el valor mínimo de la resistencia limitadora. Rmax es el valor máximo de la resistencia limitadora. Vsmax es el valor máximo de la tensión de entrada. Vsmin es el valor mínimo de la tensión de entrada. Vz es la tensión Zener. ILmin es la mínima intensidad que puede circular por la carga, en ocasiones, si la carga es desconectable, ILmin suele tomar el valor 0. ILmax es la máxima intensidad que soporta la carga. Izmax es la máxima intensidad que soporta el diodo Zener. Izmin es la mínima intensidad que necesita el diodo zener para mantenerse dentro de su zona zener o conducción en inversa.

La resistencia que elijamos, debe estar comprendida entre los dos resultados que hemos obtenido.

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TIPOS DE DIODO

Tres son las características que diferencian a los diversos diodos Zener entre si: a.- Tensiones de polarización inversa, conocida como tensión Zener.- Es la tensión que el Zener va a mantener constante. b.-

Corriente mínima de funcionamiento.- Si la corriente a través del Zener es menor, no hay seguridad en que el Zener mantenga constante la tensión en sus bornes

c.- Potencia máxima de disipación. Puesto que la tensión es constante, nos indica el máximo valor de la corriente que puede soportar el Zener. Por tanto el Zener es un diodo que al polarizarlo inversamente mantiene constante la tensión en sus bornes a un valor llamado tensión de Zener, pudiendo variar la corriente que lo atraviesa entre el margen de valores comprendidos entre el valor mínimo de funcionamiento y el correspondiente a la potencia de Zener máxima que puede disipar. Si superamos el valor de esta corriente el Zener se destruye. Ejemplos De Aplicación Ejemplo 1 Queremos construir un circuito estabilizador (Regulador) que entregue a la salida una tensión de 5,1 V, sabiendo que la carga consume una I Lmáx = 100 mA, siendo I Lmín = 0 y que dispone de una alimentación que varía entre 9 V y 10 V. Los diodos zener de que se dispone son:

Elegir el componente que corresponda y diseñar el circuito. Solución:

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TIPOS DE DIODO

Hay que elegir el más barato que se pueda. Si cogemos el Z 1:

Si se abre la carga por el zener irían 105 mA y como I Zmáx = 78 mA no podría funcionar, se quemaría y se estropearía no la resistiría. Si probamos con Z 2:

Veamos si es suficiente esa corriente, la peor suposición es I Lmáx = 100 mA.

Si abrimos la carga los 150 mA van por el zener y como soporta hasta 294 mA si valdría, el Z 2 es el adecuado. Ahora elegiremos la resistencia (R). Tenemos dos puntos importantes para analizarlos:

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

TIPOS DE DIODO

Peligro de que el zener se quede sin corriente

Suposiciones críticas para ese punto:

El peor caso para que el zener se quede sin corriente es que vaya el máximo valor por R L o que vaya el mínimo de tensión por R L (9 V). Si varío esa R por ejemplo a 30 ohmios:

Disminuye la I Z al aumentar la R. Por lo tanto no puedo poner resistencias mayores que 26 ohmios. Si ponemos resistencias menores que 26 ohmios la intensidad zener aumenta y por lo tanto si se pueden poner.

En el otro punto peligroso. 

Peligro de que el zener se queme

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TIPOS DE DIODO

Entonces la resistencia esta entre estos dos valores:

Cualquier valor entre estos dos valores valdría, tomamos por ejemplo: R = 22 . Vemos que ocurre en los 2 casos extremos:

Ahora que sabemos en que zona trabaja el zener tenemos que calcular de que potencia elegimos esa resistencia.

Peor caso: I Z = 222 mA

P = (10-5,1)·222·10 -3 = 1,08 W

Se coge un valor normalizado de 2 W. María José Avilés Conde

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TIPOS DE DIODO

Ahora vamos a ver el rango de valores por el que mueve la resistencia de carga (R L):

Calculo de la Recta de carga: Tomaremos el convenio de la figura con lo que nos saldrán la intensidad y la tensión negativas (en el tercer cuadrante).



Punto A



Punto B

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TIPOS DE DIODO

Finalmente la representación de la siguiente manera:

gráfica de esas ecuaciones queda

Las dos rectas de carga son paralelas. Los demás puntos están entre esas dos rectas paralelas. Ejemplo 2 a) Un diodo Zener que disipa una P máx = 0.2 W, regula a 5 V desde una I Zmín = 5 mA. Se pretende construir un regulador de 5 V que regule desde I L = 0 hasta el valor máximo de I L. Suponiendo una v i = 20 V. Determinar el valor de la Resistencia, su potencia y la I Lmáx .

Solución: Primeramente diodo zener:

calcularemos

María José Avilés Conde

los

puntos

límite

de

ruptura

del

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TIPOS DE DIODO

Si la R L está en vacío, por la R va el máximo valor de la intensidad por el zener (I Zmáx = 40 mA). Para calcular el valor máximo de la intensidad por la carga, vemos que por el zener la I Lmín = 5 mA y como hemos dicho que el valor máximo por R son 40 mA, entonces por la carga el máximo valor que irá será: I Lmáx = 35 mA. Ahora calcularemos los valores de la resistencia (R), la tensión por la resistencia (V R) y la potencia por la resistencia (P R).

b) Suponiendo que se mantiene la R del apartado a) y que la R L es cte y de valor 200 , hallar el valor máximo y mínimo de la tensión de entrada para que el circuito regule bien. Solución:

Para calcular los valores máximo y mínimo de la tensión de entrada tengo que estar en los puntos límite del circuito.

Con lo que tenemos un rizado a la entrada entre esos 2 valores. María José Avilés Conde

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TIPOS DE DIODO

Ejemplo 3

En circuito estabilizador de la figura, los valores nominales son:

a) Calcular la R limitadora usando los valores nominales. Usar este valor para los siguientes apartados. Solución: Aplicamos la 2ª aproximación y sustituimos por el modelo de esa 2ª aproximación.

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TIPOS DE DIODO

b) Se desea que la carga esté alimentada a una tensión de 5 V, con variaciones de corriente de 10 mA a 20 mA, si bien la nominal es de 20 mA. Si la v e tiene un rizado de + 12 % y -11 % con respecto al valor nominal de 10V, calcular el tanto por cien de la variación de I S entre 10 mA y 20 mA. Calcular la máxima potencia disipada por el diodo zener. Solución:



Peligro de que el zener se quede sin corriente

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TIPOS DE DIODO

La variación de este valor con respecto al ideal es de:



Peligro de que el zener se queme (aunque halla un margen de seguridad)

La variación respecto al ideal:

El zener sufre más en el caso 2 y su potencia será la máxima en este caso. P Z = 5,2 50 = 260 mW No se quemará con esta potencia porque el máximo valor el P Zmáx = 400 mW c) Variación en % de la tensión de salida para una variación de la intensidad de carga de ±55 % con respecto al valor nominal, con v e = cte.

Ahora veremos lo que ocurre con un aumento de un 55 % de la intensidad en la carga: María José Avilés Conde

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TIPOS DE DIODO

Y si disminuimos un 55 % de la intensidad de la carga con respecto al valor nominal:

Si lo representamos gráficamente nos quedaría algo como esto:

El caso más ideal es el que tiene la curva de regulación más horizontal. Se puede utilizar para regular una fuente de tensión. Este semiconductor se se fabrica en una amplia variedad de tensiones y potencias Estas van desde menos de 2 voltios hasta varios cientos de voltios, y la potencia que pueden disipar va desde 0.25 watts (vatios) hasta 50 watts (vatios) o más. La potencia que disipa un diodo zener es simplemente la multiplicación del voltaje para el que fue fabricado por la corriente que circula por el. Pz = Vz x Iz Esto significa que la máxima corriente que puede atravesar un diodo zener es: Iz = Pz / Vz. Donde: - Iz = Corriente que pasa por el diodo Zener - Pz = Potencia del diodo zener (dato del fabricante) - Vz = Tensión del diodo zener (dato del fabricante) María José Avilés Conde

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TIPOS DE DIODO

Ejemplo: La corriente máxima que un diodo zener de 10 Voltios y 50 Watts (vatios), podrá aguantar será: Iz = Pz / Vz

= 50 / 10 = 5 Amperios

Cálculo de la resistencia regulador con diodo zener)

limitadora

Rs.

(ver

esquema

del

El cálculo de la resistencia Rs está determinado por la corriente que pedirá la carga (lo que vamos a conectara a esta fuente). Esta resistencia (resistor) se puede calcular con la siguiente fórmula: Rs = [Ven min - Vz]

/ 1.1 x IL máx

donde: - Ven (min): es el valor mínimo del voltaje de entrada. (acordarse que es una tensión no regulada y puede variar) - IL (max): es el valor de la máxima corriente que pedirá la carga. Una vez que se obtuvo Rs, se obtiene la potencia máxima del diodo zener, con ayuda de la siguiente fórmula: PD = [[ Ven min - Vz] / Rs

- IL min ] x Vz

Ejemplo de un diseño: fuente de 15 voltios debe alimentar una carga con 9 Voltios, que consume una corriente que varía entre 200 y 350 mA. (mili amperios). Se escoge un diodo zener de 9.1 voltios pues no hay de 9 y...: - Calculo de Rs: Rs = (15 - 9.1) / (1.1 x 0.35) = 15 ohmios (ohms) - Cálculo de la potencia del diodo zener: PD = [ (15 9.1) / 15 ] x 9.1 = 3.58 watts o vatios. Como no hay un diodo zener de 3.58 Vatios, se escoge uno de 5 vatios que es el más cercano María José Avilés Conde

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TIPOS DE DIODO

- Potencia de Rs: Un cálculo adicional es la potencia de la resistencia Rs. Este se hace con la fórmula: P = I 2 x R. Ver Potencia en una resistencia (ley de Joule) Los datos actuales son: I (max) = 350 miliamperios = 0.35 amperios y Rs = 15 Ohmios (ohms) 2 aplicando la fórmula, P Rs = 0.35 x 15 = 1.84 Watts (vatios) Esto significa que a la hora de comprar (resistor) deberá ser de 2 Watts o más.

María José Avilés Conde

esta

resistencia

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TIPOS DE DIODO

TABLA DE LOS PRINCIPALES DIODOS

Diodo rectificador *

Diodo rectificador

Diodo rectificador

Diodo zener

Diodo zener

Diodo zener

Diodo zener

Diodo zener *

Diodo varicap *

Diodo varicap

Diodo varicap

Diodo Gunn Impatt

Diodo supresor de tensión *

Diodo supresor de tensión

Diodo de corriente constante

Diodo de recuperación instantánea, Snap

Diodo túnel *

Diodo túnel

Diodo rectificador

Diodo Schottky

túnel Diodo Pin *

Diodo Pin

Fotodiodo

LED Diodo emisor de luz

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TIPOS DE DIODO

Fotodiodo bidireccional NPN

Fotodiodo de dos segmentos cátodo común PNP

Fotodiodo de dos segmentos cátodo común PNP

Diodo láser

Diodo magnético

Diodo sensible a la temperatura

Diodo de rotura bidireccional PNP

Diodo de rotura bidireccional NPN

Puente rectificador

Puente rectificador *

Indicador LED alfanumérico 5x7 Letra A de ejemplo

LED bicolor polaridad dual

3. CONCLUSIONES 

Los diodos semiconductores, dependiendo de su polarización, se comportan como circuito abierto (polarización inversa) o como un cortocircuito con una fuente DC con el terminal positivo en el ánodo (polarización directa).

María José Avilés Conde

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DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS 

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TIPOS DE DIODO

Concluyo que los diodos son elementos importantes en la electrónica que nos rodea hoy en día, que para su comprensión hay que estar al tanto de ciertos conocimientos relativos a su funcionamiento y comportamiento. Los diodos son de gran versatilidad, se pueden implicar en muchos aspectos con el propósito de resolver algún problema. Para mi la uno de los aspectos mas importantes del diodo es que no se quedan en un solo tipo de diodo y mas bien se a desarrollado el diodo en formas que extienden su área de aplicación. El diodo semiconductor se muestra como un elemento muy útil para formar circuitos que modifiquen la señal de entrada, pero dependiendo de la aplicación se necesita otros elementos como resistencias, capacitares y fuentes DC. El diodo Zener se comporta de forma similar al diodo semiconductor, con la diferencia de que el diodo zener tiene la capacidad de trabajar en la región de ruptura, así en polarización inversa se puede comportar como un circuito abierto (0≤V≤Vz) o como un cortocircuito (V≥Vz). El comportamiento de los diodos zener hacen que un circuito sea menos complejo de diseñar con menos materiales y menores costos.

4. BILIOGRAFIA 

Boylestad R., Nashelky L. Electrónica teoría de Circuitos, Prentice Hall int.1992.

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DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS                  

TIPOS DE DIODO

Malvino Paúl. Principios de Electrónica, McGrawHill, 6ta edición 1999 Millman J., Halkias Ch.C. Dispositivos y Circuitos Electrónicos. 5ta edición. Mc. Graw Hill, 1983. Schilling Ronald, Circuitos eléctricos, McGrawHill, 3ra edición 1993. Thomas Floyd. Dispositivos electrónicos, Limusa, 1996. www.unicrom.com/Tut_diodo_led.asp www.americanmicrosemi.com/tutorials/varactor.htm es.wikipedia.org/wiki/Fotodiodo webserver.pue.udlap.mx/~lgojeda/apuntes/electronica1/1_5.htm voltio.ujaen.es/componentes/manual3.htm calvin.univalle.edu.co/~rubenpal/lecturas/eldiodo.html www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/htmlfile/cap1.html www1.ceit.es/asignaturas/fisica-1/teoria/9/ www.ifent.org/Lecciones/varistores/Varistores.htm www.ii.uam.es/~etc1lab/00-etc1-p2.htm es.wikipedia.org/wiki/Diodo_avalancha es.wikipedia.org/wiki/Diodo_l%C3%A1ser www.iespana.es/electronicaparatodos/diodo.htm fisica.usach.cl/~egramsch/LabOptSemi/fotodiodo.html

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TIPOS DE DIODO ÍNDICE

1. EL DIODO........................¡Error! Marcador no definido. 1.1. OBJETIVO:....................¡Error! Marcador no definido. 1.2. INTRODUCCION:.............................................1 1.3. TIPOS DE DIODOS DE ESTADO SÓLIDO.........................2 DIODO DE ALTO VACÍO..........................................3 DIODO PN Ó UNIÓN PN..........................................3 1.4. POLARIZACIÓN DIRECTA......................................5 1.5. POLARIZACIÓN INVERSA......................................5 1.6. CURVA CARACTERÍSTICA DEL DIODO...........................5 1.7. MODELOS MATEMÁTICOS.......................................5 1.7. LAS PRINCIPALES APLICACIONES DEL DIODO SON:.............5 RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA...................................5 RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA...............................5 MULTIPLICADOR DE TENSIÓN.....................................5

2. TIPOS DE DIODOS..............................................5 2.1. DIODO ZENER.................¡Error! Marcador no definido. RESISTENCIA ZENER..............¡Error! Marcador no definido. CURVA CARACTERÍSTICA DE UN DIODO ZENER. .¡Error! Marcador no definido. LA POTENCIA MÁXIMA QUE RESISTE EN LA "ZONA DE RUPTURA" ................................¡Error! Marcador no definido. EJEMPLOS DE APLICACIÓN.........¡Error! Marcador no definido. 2.2. DIODO SCHOTTKY............................................5 APLICACIÓN...................................................5 María José Avilés Conde

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TIPOS DE DIODO

DIODO SCHOTTKY CONSTRUIDO A TRAVÉS DE LA TÉCNICA DE CIS....5 CURVA CARACTERÍSTICA DE UN DIODO SCHOTTKY..................5 CONTACTO RECTIFICANTE: DIODO DE BARRERA SCHOTTKY....¡Error! Marcador no definido. ANÁLISIS CUANTITATIVO: CARACTERÍSTICA TENSIÓN-CORRIENTE IDEAL...........................¡Error! Marcador no definido. 2.3. DIODO LED.................................................5 TECNOLOGÍA LED/OLED..........................................5 COMPUESTOS EMPLEADOS EN LA CONSTRUCCIÓN DE LED............5 APLICACIONES....................¡Error! Marcador no definido. CONEXIÓN......................................................5 DISPLAY.......................................................5 APLICACIÓN:..................................................5 EJEMPLOS DE APLICACIÓN.......................................5 2.4. FOTODIODO.................................................5 APLICACIÓN...................................................5 2.5. DIODO TÚNEL...............................................5 2.6. DIODO VARACTOR (VARICAP).................................5 CARACTERÍSTICAS:.............................................5 MÁXIMO IMPULSO DE CORRIENTE NO REPETITIVA...................5 ENERGÍA MÁXIMA...............................................5 VARICAP (DIODOS DE CAPACIDAD VARIABLE)......................5 2.7. DIODO PIN.................................................5 2.8. DIODO LÁSER...............................................5 ¿CÓMO SE HACEN?..............................................5 NIVELES ENERGÉTICOS........................................5 LAS IMPUREZAS...............................................5

María José Avilés Conde

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TIPOS DE DIODO

EL PROCESO LÁSER EN UN SEMICONDUCTOR......................5 LA CONSTRUCCIÓN DE UN DIODO LÁSER.........................5 CURVA I-V DE UN DIODO LÁSER................................5 DEPENDENCIA DE LOS PARÁMETROS DEL DIODO LÁSER DE LA TEMPERATURA.................................................5 CONFINAMIENTO DE LA LUZ DENTRO DE LA ZONA ACTIVA..........5 DISTINTAS ESTRUCTURAS DE LOS DIODOS LÁSER.................5 DIODOS LÁSER ORIENTADO A GANANCIA - GAIN GUIDED...........5 MONTURAS DE LOS LÁSER DE DIODO.............................5 VENTAJAS DE LOS DIODOS LÁSER................................5

3. TABLA DE LOS PRINCIPALES DIODOS.............................5

4. CONCLUSIÓN:...................................................5

5. BILIOGRAFIA ¡Error! No se encuentran entradas de índice. ...............................................................205

María José Avilés Conde

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