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• Javier Francisco

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Republica Bolivariana de Venezuela Ministerio del poder popular para la educación superior Instituto Universitario Politécnico Santiago Mariño Extensión Caracas

El Diodo

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Introducción El diodo es el más sencillo de los dispositivos semiconductores pero desempeña un papel vital en los sistemas electrónicos, con sus características que se asemejan en gran medida a las de un sencillo interruptor. Se encontrará en una amplia gama de aplicaciones, que se extienden desde las simples hasta las sumamente complejas. Aparte de los detalles de su construcción y características, los datos y gráficas muy importantes que se encontrarán en las hojas de especificaciones también se estudiarán para asegurar el entendimiento de la terminología empleada y para poner de manifiesto la abundancia de información de la que por lo general se dispone y que proviene de los fabricantes.

El Diodo En 1873 Frederick Guthrie descubrió el principio de operación de los diodos térmicos. Independientemente, el 13 de febrero de 1880 Thomas Edison redescubre el principio. Aproximadamente 20 años después, John Ambrose Fleming (científico asesor de Marconi Company y antiguo empleado de Edison) se dio cuenta que el efecto Edison podría usarse como un radio detector de precisión. Fleming patentó el primer diodo termoiónico en Gran Bretaña el 16 de noviembre de 1904. En 1874 el científico alemán Karl Ferdinand Braun descubrió la naturaleza de conducir por una sola dirección de los cristales semiconductores. Braun patentó el rectificador de cristal en 1899. Los rectificadores de óxido de cobre y selenio fueron desarrollados para aplicaciones de alta potencia en la década de los 1930. El científico indio Jagdish Chandra Bose fue el primero en usar un cristal semiconductor para detectar ondas de radio en 1894. El detector de cristal semiconductor fue desarrollado en un dispositivo práctico para la recepción de señales inalámbricas por Greenleaf Whittier Pickard, quién inventó un detector de cristal de silicio en 1903 y recibió una patente de ello el 20 de noviembre de 1906. En la época de su invención, estos dispositivos fueron conocidos como rectificadores. En 1919, William Henry Eccles acuñó el término diodo del griego dia, que significa separado, y ode (de ὅδος), que significa camino. Un diodo es un componente electrónico de 2 (o más) terminales o electrodos, que solo permite la circulación de la corriente en un solo sentido, que para cargas eléctricas positivas es desde el electrodo "A" de mayor potencial eléctrico (denominado ánodo), hacia el electrodo "K" de menor potencial (denominado cátodo). Por lo tanto un diodo es, en general, un componente unidireccional, asimétrico.

Los dos tipos de diodos semiconductores más simples son dispositivos básicos de estado sólido donde él Ánodo está compuesto por un material semiconductor tipo P (generalmente Silicio, Germanio o Arseniuro de galio). En un diodo rectificador el Cátodo es del mismo material semiconductor que el Ánodo pero tipo N, y en un diodo Schottky el Catado es un metal. Como toda la corriente que alimenta un circuito debe pasar por los rectificadores de la fuente de alimentación, los diodos rectificadores deben ser capaces de disipar cierta cantidad de potencia con el mínimo de "fugas" en inverso. Por lo tanto, los rectificadores generalmente se fabrican mediante "uniones" (en vez de "contactos puntuales") para tener mayor capacidad de transporte, y con Silicio (en vez de Germanio), pues el Silicio se puede usar a unas decenas de grados más que el Germanio. Además, las corrientes inversas de fuga (Io) son unas 1000 veces menores en los diodos de Silicio que en los de Germanio (Estas 2 grandes ventajas del Silicio respecto del Germanio son mucho más importantes que la desventaja de los diodos de Silicio de tener un umbral Vγ ≈ 0.6 V, que es casi el triple que en el Germanio). En algunas de sus aplicaciones se usa solamente la propiedad de conducir corriente en un sentido y bloquearla en el otro. En otras se usa la propiedad del aumento brusco de la corriente con el voltaje al alcanzar sus valores límite de voltaje (ruptura en inverso, y umbral en directo) y en otras la dependencia del voltaje directo con la temperatura. Algunas de ellas serian: 1. Rectificadores de Voltaje y de Corriente: Esta es la aplicación más extendida y conocida de un rectificador, donde 1, 2 ó 4 diodos conectados al secundario de un transformador de una fuente de alimentación, sirven para convertir corriente alterna (AC) en corriente con una sola polaridad, para después (con otros elementos de circuito), convertirla finalmente en corriente continua(DC). 2. Compuertas Lógicas: Con diodos rectificadores y transistores se pueden implementar configuraciones que se comportan como "circuitos lógicos",

realizando las operaciones básicas (not, or y and, o las universales nor y nand), y combinaciones de ellas. Estos circuitos se usan en indicadores luminosos, en sistemas de control electrónico, en conmutación y activación de relays. 3. Multiplicadores

de

Voltaje:

Conectando

diodos

rectificadores

y

condensadores, se pueden implementar configuraciones de alto voltaje que cargan los condensadores en los semiciclos AC, aumentando el voltaje entre dos puntos dados del circuito. Se utilizan en fuentes de alto voltaje (como por ej. las fuentes de TVs y de ozonizadores de aire en hospitales y de agua en piscinas). 4. Reguladores de voltaje y Protectores de Sobrevoltaje: Los diodos rectificadores pueden limitar el voltaje de 3 modos diferentes: sin conducir en inverso, sin conducir en directo y conduciendo en directo. Un cuarto modo es limitar el voltaje conduciendo en inverso, que se realiza con un diodo especial, denominado zener. 5. Transductores de temperatura a voltaje: Los diodos semiconductores rectificadores son muy fáciles de usar en termometría industrial y en laboratorios, como termómetros pequeños, rápidos, confiables, de gran exactitud y repetibilidad, incluyendo muy bajas temperaturas. Tipos de Diodo Existen varios tipos de diodos, que pueden diferir en su aspecto físico, impurezas, uso de electrodos, que tienen características eléctricas particulares usados para una aplicación especial en un circuito y a continuación se presentaran los mas importantes: 

Diodo Zener

Algunos diodos se diseñan para aprovechar la tensión inversa de ruptura, con una curva característica brusca o afilada. Esto se consigue básicamente a través del control de los dopados. Con ello se logran tensiones de ruptura de 2V a 200V, y potencias máximas desde 0.5W a 50W. El zener es un dispositivo de tres estados operativos: 1. Conducción en polarización directa: Como en un diodo normal 2. Corte en polarización inversa: Como en un diodo normal 3. Conducción en polarización inversa: Mantiene constante la V=VZ, con una corriente entre 0 y IZM. Algunas de sus aplicaciones serian: 1. Limitador de señales (recorte de señales) 2. Regulador de tensión para cargas muy pequeñas 3. Tensión de referencia para cargas muy grandes 

Diodo Emisor de Luz (LED) El LED es un diodo que produce luz visible (o invisible, infrarroja) cuando se

encuentra polarizado. El voltaje de polarización de un LED varía desde 1.8 V hasta 2.5 V, y la corriente necesaria para que emita la luz va desde 8 mA hasta los 20 mA. Se usan como indicadores en muchos dispositivos y en iluminación. Los primeros LEDs emiten luz roja de baja intensidad, pero los dispositivos actuales emiten luz de alto brillo en el aspecto infrarrojo, visible y ultravioleta. Debido a sus altas frecuencias de operación son también útiles en tecnologías avanzadas como comunicaciones. 

Diodo Schottky Los diodos schottky están normalmente formados por metales como el

platino y silicio, es decir un diodo schottky surge de la unión de un platino, con

silicio de tipo n. Por lo general se utilizan en aplicaciones de conmutación de alta velocidad. En estos diodos el platino actúa como material aceptador para los electrones cuando esta unido al silicio n y así los electrones del silicio se difunden inicialmente en el metal, esta difusión hace que el material tipo n (silicio) se empobrezca de electrones cerca de la unión y por consiguiente que adquiera un potencial positivo que se caracteriza por la falta de electrones. Cuando esta tensión llega a ser suficientemente alta, impide que los electrones se fluyan, y por otra parte cuando se aplica una tensión positiva suficientemente grande entre las terminales, los electrones de la región n están sometidos a un potencial positivo en el lado del metal de la unión y surge una circulación de electrones. Polarización directa

Con la polarización directa, la unión p-n impulsa los huecos desde el material tipo p a la unión y los electrones desde el material tipo n a la unión. En la unión, los electrones y huecos se combinan de modo que se mantiene una corriente continua.

Polarización Inversa

La aplicación de un voltaje inverso a la unión p-n produce un flujo de corriente transitoria y ambos electrones y huecos se separan de la unión. Cuando

el potencial formado por la capa de depleción ensanchada, se iguala al voltaje aplicado, cesa la corriente excepto una pequeña cantidad de corriente térmica.

Curva característica



Tensión umbral, de codo o de partida (Vγ).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 de corriente. Corriente máxima (Imax ).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 (Is ).Es la pequeña corriente que se establece al polarizar inversamente el diodo por la formación de pares electrón-hueco debido a la temperatura, admitiéndose que se duplica por



cada incremento de 10 °C en la temperatura. Corriente superficial de fugas. Es la pequeña corriente que circula por la superficie del diodo (ver polarización inversa), 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 (Vr ).Es la tensión inversa máxima que el diodo puede soportar antes de darse el efecto avalancha. Rectificador de Media Onda La función de este circuito es eliminar uno de los dos semiperiodos de una

señal alterna senoidal, proveniente del secundario del transformador. El componente electrónico que se usa para este fin es el diodo, que tiene la propiedad de conducir en un solo sentido.

Aplicamos una onda senoidal a la entrada (transformador reductor). En el semiciclo positivo el diodo queda polarizado directamente y se comporta prácticamente como un interruptor cerrado (excepto los 0.6V de la barrera de potencial). Esto hace que por el circuito circule una corriente cuya forma de onda está representada en la figura mostrada anteriormente. En el semiciclo negativo, el diodo se polariza inversamente (ánodo más negativo que el cátodo), comportándose como un interruptor abierto. No existe corriente por el circuito y en la resistencia de carga R1 no hay caída de tensión,

esto supone que toda la tensión de entrada estará en extremos del diodo como se ve en la siguiente figura.

Rectificador de Onda Completa En el rectificador en puente se hacen necesarios cuatro diodos. La operación del rectificador en puente consiste que durante los semiciclos positivos del voltaje de entrada Vs es positivo y la corriente es conducida a través del diodo D1, el resistor R y el diodo D2. Entre tanto los diodos D3 y D4 estaran polarizados inversamente; hay dos diodos en serie en la trayectoria de conducción y por lo tanto Vo será menor que Vs por dos caídas del diodo, esta es una desventaja del rectificador en puente. Para determinar el voltaje inverso de pico (PIV) se emplea la siguiente formula: PIV = Vs - 2VDO + VDO = Vs - VDO Otra

ventaja

de

este

circuito

es

que

solo

se

hace

necesaria

aproximadamente la mitad del número de vueltas para el devanado secundario del transformador. Se puede visualizar que cada mitad del devanado secundario del transformador con derivación central se utiliza solo la mitad del tiempo.

Ejercicios del libro Boylestad 17) Con la ecuación (1.1) determine la corriente a 20ªC en un diodo con Is=0,1 mA con un potencial de polarización de -10V. Tk= 20 + 273 = 293 K = 11,600/n = 11,600/2 = 5800

(

Ip=Is e

kVp Tk

)

(

−1 =0.1 μ e

(5800 x−10 v) 293

)

−1

−86

= 0.1 x

1.07 x 10 −1 −6 −197.95 10 ( e −1 ) =0.1 x 10−6 ¿

≅ 0.1 x 10−6 0.1 μA Ip=Is=0.1 μA

15) Con la ecuación (1.1), determine la corriente en el diodo a 20°C para un diodo de silicio con Is=50 nA y una polarización en directa aplicada de 0.6 V. Tk= 20 + 273 = 293 K = 11,600/n = 11,600/2 = 5800 Ip=Is (e

kVp Tk

−1 )=50∗10 ( e −9

(5800x 0.6 v) 293

¿ 50∗10−9 ( e11.877 −1 )=7.197 mA

−1

)

Conclusión 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. Uno de los aspectos más importantes del diodo es que no se quedan en un solo tipo de diodo y más bien se ha desarrollado el diodo en formas que extienden su área de aplicación.