El diodo de estado sólido se utiliza ampliamente en ingeniería eléctrica y electrónica. Gracias a su bajo coste y a su buena relación potencia/tamaño, ha sustituido rápidamente a los dispositivos de vacío de aplicación similar.
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Construcción y funcionamiento de un diodo semiconductor
Un diodo semiconductor está formado por dos regiones (capas) de un semiconductor (silicio, germanio, etc.). Una región tiene un exceso de electrones libres (n-semiconductor), y otra tiene una escasez (p-semiconductor) - esto se consigue dopando el material base. En medio hay una pequeña zona en la que un exceso de electrones libres del polo n "cubre" los huecos del polo p (recombinación por difusión), y no hay portadores de carga libres en esta región. Cuando se aplica una tensión directa, la región de recombinación es pequeña, su resistencia es baja y el diodo transporta la corriente en esa dirección. Cuando se aplica una tensión inversa, la zona libre de portadora aumentará y la resistencia del diodo también. La corriente no fluye en esta dirección.
Tipos, clasificación y gráficos en los circuitos eléctricos
En general, un diodo se indica en un diagrama mediante una flecha estilizada que indica la dirección de la corriente. Una representación gráfica convencional (CSR) de un dispositivo contiene dos terminales - ánodo y cátodoLos semiconductores bipolares se conectan en conexión directa al lado positivo y negativo del circuito respectivamente.
Hay muchas variedades de este dispositivo semiconductor bipolar, que pueden tener una CDS ligeramente diferente según su finalidad.
Estabilitrones (Diodos Zener)
Un estabilitrón es un dispositivo semiconductorFunciona con tensión inversa en la región de ruptura de avalancha. En esta región, la tensión a través de un diodo Zener es estable en un amplio rango de flujo de corriente a través del dispositivo. Esta propiedad se utiliza para estabilizar la tensión en la carga.
Estabilizadores
Los estabilizadores hacen un buen trabajo de estabilización de tensiones a partir de 2V. Para obtener una tensión constante por debajo de este límite, se utilizan estabilizadores. Al dopar el material con el que se fabrican estos dispositivos (silicio, selenio), se consigue la mayor verticalidad posible de la línea recta de la característica. Este es el modo en el que operan los Estabilizadores, produciendo una tensión de referencia de entre 0,5V y 2V en la rama de la línea recta de la característica voltio-amperio a tensión directa.
Diodos Schottky
Los diodos Schottky se basan en un circuito semiconductor-metal y no tienen una unión común. Esto proporciona dos propiedades importantes:
- Reducción de la caída de tensión directa (alrededor de 0,2 V);
- Mayores frecuencias de funcionamiento gracias a la menor capacitancia intrínseca.
Las desventajas son las mayores corrientes inversas y la menor tolerancia a la tensión inversa.
Varicaps .
Cada diodo tiene una capacidad eléctrica. Las dos cargas masivas (las regiones semiconductoras p y n) sirven como carcasas del condensador, y el dieléctrico es la capa de bloqueo. Cuando se aplica una tensión inversa, esta capa se expande y la capacidad disminuye. Esta propiedad es inherente a todos los diodos, pero en el caso de los varicaps la capacitancia está normalizada y se conoce en unos límites de tensión determinados. Esto permite utilizar dispositivos como condensadores de capacidad variable y se utiliza para afinar o poner a punto los circuitos suministrando diferentes niveles de tensión inversa.
Diodos de túnel
Estos dispositivos tienen una desviación en la sección delantera de la característica en la que un aumento de la tensión provoca una disminución de la corriente. La resistencia diferencial es negativa en esta zona. Esta propiedad permite utilizar los diodos túnel como amplificadores para señales débiles y como osciladores a frecuencias superiores a 30 GHz.
Dinamizadores
Un dinistor es un tiristor de diodo, que tiene una estructura p-n-p-n y una forma de onda en forma de S, y que no conduce la corriente hasta que la tensión aplicada alcanza un nivel de umbral. Después, se abre y se comporta como un diodo normal hasta que la corriente cae por debajo del nivel de retención. Los dinistores se utilizan en la electrónica de potencia como interruptores.
Fotodiodos
Se hace un fotodiodo en una carcasa con luz visible que llega al cristal. Cuando se irradia la unión p-n, se genera un EMF en ella. Esto permite utilizar el fotodiodo como fuente de corriente (como parte de una célula solar) o como sensor de luz.
LEDs .
La propiedad básica de un fotodiodo es que puede emitir luz cuando una corriente fluye a través de una unión p-n. Este resplandor no está relacionado con la intensidad del calor como el de una bombilla incandescente, por lo que el dispositivo es económico. A veces se utiliza el resplandor directo de la unión, pero más a menudo se utiliza como iniciador para encender el fósforo. Esto ha permitido obtener colores de LED antes inalcanzables, como el azul y el blanco.
Diodos Gunn
Aunque un diodo Gann tiene el símbolo habitual, no es un diodo en el sentido completo de la palabra. Esto se debe a que no tiene una unión p-n. Este dispositivo consiste en una oblea de arseniuro de galio sobre un sustrato metálico.
Sin entrar en los entresijos de los procesos: cuando se aplica un campo eléctrico de cierta magnitud a un dispositivo, se producen oscilaciones eléctricas cuyo periodo depende del tamaño de la oblea semiconductora (pero dentro de ciertos límites la frecuencia puede corregirse mediante elementos externos).
Los diodos Gann se utilizan como osciladores a frecuencias de 1 GHz y superiores. La ventaja del dispositivo es la estabilidad de la alta frecuencia, el inconveniente es la pequeña amplitud de las oscilaciones eléctricas.
Magnetodiodos
Los diodos convencionales se ven poco afectados por los campos magnéticos externos. Los magnetodiodos están especialmente diseñados para aumentar su sensibilidad. Se fabrican con tecnología p-i-n con una base ampliada. Bajo la influencia de un campo magnético, la resistencia de avance del dispositivo aumenta, y esto puede utilizarse para crear interruptores de proximidad, convertidores de campo magnético y similares.
Diodos láser
El principio de funcionamiento de un diodo láser se basa en la propiedad del par electrón-hueco de emitir luz visible monocromática y coherente en determinadas condiciones durante la recombinación. Las formas de crear estas condiciones varían, y el usuario sólo necesita conocer la longitud de onda emitida por el diodo y su potencia.
Diodos de avalancha
Estos dispositivos se utilizan en la industria de las microondas. En determinadas condiciones, un modo de ruptura de avalancha da lugar a una región de resistencia diferencial negativa en la característica del diodo. Esta propiedad de los LPD permite utilizarlos como generadores, operando en longitudes de onda hasta el rango milimétrico. Allí es posible obtener una potencia de al menos 1 W. A bajas frecuencias, estos diodos producen hasta varios kilovatios.
Diodos PIN .
Estos diodos se fabrican con tecnología p-i-n. Entre las capas dopadas de semiconductores hay una capa de material no dopado. Por esta razón, las propiedades rectificadoras del diodo se degradan (la recombinación se reduce en la tensión inversa debido a la ausencia de contacto directo entre las zonas p- y n-). Por otra parte, debido al espaciado de las regiones de carga masiva, la capacitancia parásita se hace muy pequeña, las fugas de señal a altas frecuencias se eliminan prácticamente en el estado cerrado, y los diodos de patilla pueden utilizarse en HF y UHF como elementos de conmutación.
Principales características y parámetros de los diodos
Las principales características de los diodos semiconductores (excepto los de propósito especial) son
- tensión inversa máxima admisible (CC y pulsos)
- limitar la frecuencia de funcionamiento;
- caída de tensión hacia delante;
- rango de temperatura de funcionamiento.
Las otras características importantes se ilustran mejor con la curva I-V del diodo.
Característica voltio-amperio de un diodo semiconductor
La característica voltio-amperio de un diodo semiconductor consta de una rama de avance y otra de retroceso. Se sitúan en los cuadrantes I y III, ya que el sentido de la corriente y la tensión a través del diodo siempre coinciden. A partir de la característica voltio-amperio es posible determinar algunos parámetros y también ver visualmente cómo afectan las características del aparato.
Tensión de umbral de conductividad
Si se aplica una tensión directa a un diodo y se empieza a aumentar, al principio no pasará nada: la corriente no subirá. Pero a partir de un determinado valor, el diodo se abrirá y la corriente aumentará en función de la tensión. Esta tensión se denomina tensión de umbral de conductividad y está marcada en el VAC como umbral U. Depende del material del que esté hecho el diodo. Para los semiconductores más comunes este parámetro es:
- silicio - 0,6-0,8 V;
- germanio - 0,2-0,3 V;
- Arseniuro de galio - 1,5 V.
La propiedad de los semiconductores de germanio de abrirse a baja tensión se utiliza en circuitos de baja tensión y otras situaciones.
Corriente máxima que atraviesa un diodo cuando se alimenta directamente
Después de que un diodo se haya abierto, su corriente aumenta con el incremento de la tensión directa. Para un diodo ideal esta gráfica llega hasta el infinito. En la práctica, está limitado por la capacidad del semiconductor para disipar el calor. Si se alcanza un determinado límite, el diodo se sobrecalienta y falla. Para evitarlo, los fabricantes indican la mayor corriente permitida (Imax en el CVC). Esto puede ser aproximado por el tamaño del diodo y su carcasa. En orden descendente:
- Los dispositivos con carcasa metálica son los que más corriente soportan;
- Las cajas de plástico están diseñadas para una potencia media;
- Los diodos encapsulados en vidrio se utilizan en circuitos de baja corriente.
Los aparatos metálicos pueden montarse sobre radiadores, lo que aumentará la capacidad de disipación.
Corriente de fuga inversa
Si se aplica una tensión inversa a un diodo, un amperímetro de baja sensibilidad no mostrará nada. De hecho, sólo un diodo perfecto no pierde corriente. Un dispositivo real tendrá corriente, pero es muy pequeña, y se llama corriente de fuga inversa (en la forma de onda, Iobr). Es de decenas de microamperios o décimas de miliamperios y es mucho menor que la corriente de avance. Se puede determinar por el libro de referencia.
Descomposición de la tensión
A partir de un determinado valor de la tensión inversa se produce un rápido aumento de la corriente que se denomina ruptura. Es de tipo túnel o avalancha y es reversible. Este modo de funcionamiento se utiliza para estabilizar la tensión (modo avalancha) o para generar impulsos (modo túnel). Al aumentar la tensión, la ruptura se vuelve térmica. Este modo es irreversible y el diodo falla.
Capacidad parásita de la unión pn
Ya se ha mencionado que una unión p-n tiene capacidad eléctrica. Y mientras que en los varicaps esta propiedad es útil y se utiliza, en los diodos convencionales puede ser perjudicial. Aunque la capacitancia es del orden de las unidades o decenas de pF y puede no ser perceptible en CC o en frecuencias bajas, su efecto aumenta a medida que aumenta la frecuencia. Unos pocos picofaradios en RF crearán una resistencia suficientemente baja para la fuga de señales parásitas, se sumarán a la capacitancia existente y cambiarán los parámetros del circuito, y se combinarán con la inductancia de un cable o conductor impreso para formar un circuito con resonancia parásita. Por ello, en la fabricación de dispositivos de alta frecuencia se toman medidas para reducir la capacitancia de unión.
Etiquetado de diodos
El método más sencillo para etiquetar los diodos es utilizar una caja metálica. En la mayoría de los casos, están etiquetados con la designación del dispositivo y la asignación de pines. Los diodos en cajas de plástico están marcados con una marca de anillo en el lado del cátodo. Pero no hay garantía de que el fabricante siga estrictamente esta regla, por lo que es mejor consultar un libro de referencia. Mejor aún, utilice un multímetro para probar el dispositivo.
Los estabilizadores domésticos de baja potencia y algunos otros dispositivos pueden tener dos anillos o puntos de diferentes colores en los lados opuestos de la carcasa. Para determinar el tipo de dicho diodo y su patilla, hay que conseguir un libro de referencia o encontrar un identificador de marcas en línea en Internet.
Aplicaciones de los diodos
A pesar de su sencilla construcción, los diodos semiconductores se utilizan ampliamente en la electrónica:
- Para rectificar Tensión AC. Un clásico del género: utilizar la propiedad de la unión p-n para conducir la corriente en una dirección.
- Detectores de diodos. Esto utiliza la no linealidad de la forma de onda para permitir la extracción de armónicos de la señal, de los cuales los armónicos deseados pueden ser recogidos por los filtros.
- Dos diodos conmutados en contraparalelo sirven como limitador de las señales de alta potencia que pueden sobrecargar las etapas de entrada de los receptores de radio sensibles.
- Los estabilizadores pueden incluirse como elementos de protección contra chispas para evitar que los pulsos de alta tensión lleguen a los circuitos de los sensores instalados en zonas peligrosas.
- Los diodos pueden servir como dispositivos de conmutación en circuitos de alta frecuencia. Se abren con la tensión continua y permiten el paso (o no) de la señal de HF.
- Los diodos paramétricos sirven como amplificadores de señales débiles en el rango de microondas debido a la presencia de una sección de impedancia negativa en la línea recta de la característica.
- Los diodos se utilizan para construir mezcladores que funcionan en equipos de transmisión o recepción. Mezclan señal heterodina con una señal de alta frecuencia (o de baja frecuencia) para su posterior procesamiento. Esto también aprovecha la no linealidad del CAI.
- La característica no lineal permite utilizar los diodos UHF como multiplicadores de frecuencia. Cuando una señal pasa por un diodo multiplicador, se extraen los armónicos superiores. Estos pueden aislarse aún más mediante el filtrado.
- Los diodos se utilizan como elementos de sintonía en los circuitos resonantes. Para ello se utiliza la capacitancia controlada en la unión p-n.
- Algunos tipos de diodos se utilizan como osciladores en la gama de microondas. Se trata principalmente de diodos túnel y dispositivos de efecto Gann.
Esta es sólo una breve descripción de las capacidades de los dispositivos semiconductores con dos cables. Con un estudio profundo de las propiedades y características, los diodos pueden utilizarse para resolver muchos de los retos que se plantean a los diseñadores de dispositivos electrónicos.
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