Tarea de investigación 1: DIODOS ESPECIALES

Resumen –En este documento se presenta una investigación sobre lo que es un diodo y los distintos tipos de diodos como lo son el Varactor, Schottky, Avalancha, túnel y LASER, las características que definen a cada uno de estos tipos de diodos y algunas de sus aplicaciones mas importantes en distintos campos de la industria.

 

I.     INTRODUCCION

Llos dispositivos de los que se va a tratar aquí son los más simples de todos los dispositivos Electronicos, aunque sus aplicaciones parecen interminables.

El diodo es un dispositivo que permite hacer fluir la corriente en un solo sentido, los más empleados en los circuitos electrónicos actuales son los fabricados con material semiconductor como el germanio o silicio. se crean a partir de la unión de un material “tipo n” a un material de “tipo p”, es solo la unión de un material con un portador mayoritario de electrones “tipo n” a uno con un portador mayoritario de huecos “tipo p”.

El símbolo del diodo se muestra en la figura 1 en la cual la flecha muestra la dirección en la cual puede fluir la corriente.

 

Fig. 1 Simbolo de circuito

 

Existen dos formas de polarización de un diodo, en directa e inversa, cuando esta polarizado en directa, un diodo conduce corriente. Los electrones libres en la región “n” se desplaza a través de la unión p-n y se combinan con los huecos presentes en la región “p”. mientras que cuando se polariza en inversa un diodo no conduce corriente excepto por una corriente en inversa extremadamente pequeña.

 

Su capacidad de conducir corriente en una dirección, al tiempo que la bloquea en otra es esencial para la operación de muchos tipos de circuitos. Por lo tanto, su importancia en la aplicación de circuitos electrónicos es bastante grande.

El tamaño de un diodo depende de la función de la potencia que puede disipar, es característico encontrase un anillo en el cuerpo que nos indica el cátodo. Pero algunos tipos en concreto vienen señalados por una serie de letras y números. Para indicar cual es el ánodo y cuál es el cátodo, algunos fabricantes que marcan el cátodo con la letra “K” y el ánodo con la letra “a”

.

Existen distintos tipos de diodos de dos terminales con unión p-n como los diodos Zener el cual debido a sus características es utilizado como regulador de tensión. En este documento se presentarán algunos de ellos como El Varactor, Schottky, Avalancha, túnel y LASER.

 

 

II.     TIPOS DE DIODOS ESPECIALES

 

A.       Diodo Varactor

 

Los diodos Varicap, también conocidos como diodos varactores, VVC (capacitancia variable dependiente del voltaje, por sus siglas en inglés) o de sintonización, son capacitores semiconductores variables en voltaje. siempre opera con polarización en inversa y se dopa para incrementar al máximo la capacitancia inherente de la región de empobrecimiento.

 

Conforme el voltaje de polarización en inversa se incrementa, la región de empobrecimiento se ensancha Wd la separación de las placas se incrementa, por lo que se reduce la capacitancia CT Cuando el voltaje de polarización en inversa se reduce, la región de empobrecimiento se angosta por lo que la capacitancia se incrementa dicho comportamiento se define en la ecuación 1 como:

 

(1)

 

Recuerde que los parámetros del área de las placas (A), la constante dieléctrica (Є).

 

Documento realizado el día 14 de octubre 2020 en Celaya, Gto.

En la figura. 2 se observa la curva característica de un diodo Varicap en la que se muestra la relación de voltaje de polarización inversa y la capacitancia del diodo.

 

Fig. 2 Curva característica del diodo Varactor

 

 

En la figura 3 se muestran los símbolos más comúnmente utilizados para el diodo varicap.

 

Fig. 3 Símbolos del diodo Variactor.

 

 

 

Caracteristicas

 

·  Normalmente se utiliza silicio para este tipo de diodos.

·  A pesar de que se usa en frecuencias muy altas, existen límites asociado con la frecuencia para cada diodo varactor.

·  Los valores nominales máximos indican que la corriente pico en directa es aproximadamente de 100 mA.

·  La disipación de potencia es de 250 mW Aplicaciones

·  Algunas de las áreas de aplicación de alta frecuencia (definidas por los niveles mínimos de capacitancia) incluyen moduladores de FM, dispositivos de control automático de frecuencia, filtros paso

bandas ajustables y amplificadores paramétricos.

·  se     utilizan     en     comunicaciones    celulares     que contengan circuitos resonantes en paralelo.

 

B.       Diodo Schottky

 

También conocidos como diodos de barrera Schottky, barrera superficial o portador caliente. En la figura 4 se muestra el símbolo característico del diodo.

 

Fig. 4 símbolo del diodo Schottky

 

Esta construido por la unión de un metal semiconductor, el semiconductor generalmente es el silicio “tipo n” mientras que se utilizan varios metales diferentes, como molibdeno (Mo), platino (Pb), cromo (Cr) o tungsteno (W).

El resultado de su construcción mostrado en la figura. 5 da como resultado caracteristicas mejoradas en comparacion con un diodo normal, como lo son un intervalo de frecuencia incrementado, voltaje de polarizacion en directa más baja  entre otras.

 

Fig. 5. Construcción del diodo Schottky

 

La unión de ambos materiales provoca que los electrones en el material semiconductor fluyan de inmediato al metal adjunto estableciendo un intenso flujo de portadores mayoritarios. Los portadores adicionales presentes en el metal establecen un “muro negativo” en el metal en el límite entre los materiales.

El resultado neto es una “barrera superficial” entre los dos materiales, la cual impide que fluya más corriente. Es decir, cualquier electrón (negativamente cargado) presente en el material de silicio enfrenta una región libre de portadores y un “muro negativo” en la superficie del metal.

 

En la figura 6 se muestra la unión de un metal y un semiconductor.

 

Fig. 6. Regiones internas de un diodo schottky

 

 

Caracteristicas:

·         Corrientes más altas con la misma polarizacion tanto en inversa como en directa.

·         Voltajes pico inverso más bajos que los diodos de tipo p-n.

·         La    caída    de    voltaje    de    polarización    directa normalmente es de alrededor de 0.3 V.

·         El diodo Schottky opera sólo con portadores mayoritarios.

·         Es un diodo de conmutación rápida.

 

Aplicaciones:

 

·  Fuentes de alimentación conmutadas que operan en el Intervalo de frecuencia de 20kHz o más.

·  circuitos digitales para reducir los tiempos de conmutación

C.     Diodo Avalancha

Los diodos Avalancha son dispositivos semiconductores similares a los diodos Zener, siendo, la diferencia principal, la cantidad menor de impurezas que tienen los primeros.

 

El diodo Avalancha está hecho, generalmente, de Silicio, y se utiliza en arreglos llamados de dos diodos en anti serié, como se observa en la figura 7. Al cual se le llama diodo supresor de tensión.

 

Fig. 7. Símbolo del diodo avalancha

 

En estos diodos, poco dopados, cuando la tensión en polarización inversa alcanza el valor de la tensión de ruptura, los electrones que han saltado a la banda de conducción por efecto de la temperatura se aceleran debido al campo eléctrico incrementando su energía cinética, de forma que al colisionar con electrones de valencia los liberan; éstos a su vez, se aceleran y colisionan con otros electrones de valencia liberándolos también, produciéndose una avalancha de electrones cuyo efecto es incrementar la corriente conducida por el diodo sin apenas incremento de la tensión.

Caracteristicas

·  Son diodos con suficiente capacidad de disipación para trabajar en la zona de conducción inversa.

·  Su cátodo es positivo con respecto a su ánodo.

·  Son diodos de fijación o supresores de transitorios de tensión, ya que "sujetan" la tensión máxima a un nivel predeterminado.

 

Aplicaciones

 

·  Se utilizan como estabilizadores de tensión.

·  Una aplicación común es la protección de circuitos electrónicos contra los dañinos altos voltajes.

·  Son utilizados como fuentes de ruido en equipos de radio frecuencia.

·  Son usados como fuentes de ruido en los analizadores de antena y como generadores de ruido blanco.

D.       Diodo Túnel

 

El diodo túnel también se conoce como diodo Esaki. Los diodos túnel se construyen con arseniuro de germanio o galio dopado las regiones p y n mucho más intensamente dopado que en un diodo rectificador convencional. Este dopado excesivo produce una región de empobrecimiento extremadamente estrecha. El dopado excesivo permite conducción con todos los voltajes en inversa, de modo que no se presenta el efecto de ruptura como en el diodo rectificador convencional como se muestra en la figura 8.

 

Fig. 8. Curva característica del diodo túnel.

 

Además, la región de empobrecimiento extremadamente estrecha permite que los electrones atraviesen la unión p-n como si fuera un “túnel” con voltajes de polarización en directa muy bajos y el diodo actúa como conductor. De tal forma que entre los puntos A y B. En el punto B, el voltaje en directa comienza a desarrollar una barrera y la corriente comienza a disminuir conforme el voltaje en directa continúa incrementándose; ésta es la región de resistencia negativa.

 

 

En la figura 9. Se presentan los símbolos más comunes para

representar a estos diodos en los circuitos eléctricos.

 

Fig. 9. Símbolos del diodo túnel

 

En la figura 10. Se permite observar la recta de carga y los puntos estables e inestables de este diodo para una resistencia R y un voltaje E.

 

Fig. 10. Recta de carga resultante

 

La recta de carga define que los puntos a y b son estables, es decir, tienen un valor positivo de resistencia y una variación pequeña en el voltaje E no generará un cambio significativo en su posición. Por el contrario, el punto C tiene una resistencia negativa, es decir, un cambio pequeño en el voltaje E provocará un movimiento del punto C de gran magnitud.

 

Caracteristicas

·  Exhibe una característica especial conocida como resistencia negativa.

·  El diodo túnel se utiliza a frecuencias muy altas.

·  El voltaje pico está limitado a unos 600 mV.

·  El voltaje en el valle se mantiene bastante constante a

0.13 V.

·  La resistencia negativa oscila entre 80 y 180 ohms.

 

 

Aplicaciones

·  Aplicaciones de osciladores y amplificadores de microondas.

·  El diodo túnel se puede utilizar por consiguiente en aplicaciones de alta velocidad, como en computadoras, donde se desean tiempos de conmutación de nanosegundos o picosegundos.

·  Osciladores de resistencia negativas.

E.     Diodo LASER

 

El termino láser proviene de “light amplification by stimulated emisión of radiation” (amplificación de luz estimulada por la emisión de radiación). La luz láser es monocromática, lo que significa que se compone de un solo color y no de una mezcla de ellos. La luz láser también se conoce como luz coherente, de una sola longitud de onda.

Su símbolo es el mismo que el del LED como se muestra en la

figura 11.

 

Fig. 11. símbolo del diodo LASER

 

La construcción básica de un diodo láser se muestra en la figura 12. Se forma una unión p-n con dos capas de arseniuro de galio dopado; la longitud de la unión p-n guarda relación precisa con la longitud de onda de la luz que va a ser emitida. Existe una superficie altamente reflejante en un extremo de la unión p-n y una parcialmente reflejante en el otro extremo, por lo que se forma una cavidad resonante para los fotones. Unos conductores externos proporcionan las conexiones de ánodo y cátodo.

 

Fig. 12. construcción del diodo LASER

 

Para su funcionamiento una fuente de voltaje externa polariza en directa el diodo láser. A medida que los electrones ocupan huecos para recombinarse se liberan fotones. Un fotón liberado puede chocar con un átomo y provocar que otro fotón sea liberado. A medida que la corriente de polarización en directa se incrementa, más electrones entran a la región de empobrecimiento y hacen que se liberen más fotones. Con el tiempo algunos de los fotones que se mueven al azar dentro de la región de empobrecimiento chocan con átomos y liberan más fotones debido al efecto de avalancha. Este movimiento de vaivén de los fotones se incrementa a medida que la generación de fotones “crece como una bola de nieve” hasta que los fotones que atraviesan el extremo parcialmente reflejante de la unión p-n forman un rayo de luz láser muy intenso. Como se muestra en la figura 13.

 

Fig. 13. Longitud de onda de luz que emite el diodo LASER

 

Caracteristicas

·         Los diodos láser tienen un nivel de umbral de corriente por encima del cual ocurre la acción láser y por debajo del cual el diodo se comporta esencialmente como un LED que emite luz no coherente.

 

Aplicaciones

·         Se usan en el sistema de captación de reproductores de discos compactos (CD).

·         Se utilizan diodos láser en impresoras láser y sistemas de fibra óptica.

 

 

III.   CONCLUSIÓN

 

A modo de cierre después de todo lo citado en este documento podemos concluir que los diodos son dispositivos semiconductores muy importantes en el área de la electrónica debido que marcaron un antes y un después en los circuitos eléctricos. Gracias a sus incontables caracteristicas y aplicaciones en la industria. Son dispositivos muy simples que una vez sobrepasada su barrera de potencial entre los materiales permiten el flujo de la corriente.

 

IV.            REFERENCIAS

[1]      Robert L. Boylestad y Luis Nashelsky, Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos, 10ma. Edición, México, Pearson, 2009.

[2]      FLOYD THOMAS L, Dispositivos electrónicos, 8va. Edición, México, Pearson Educación, 2008.

[3]      Paul B. Zbar, Albert Paul Martino, Michael A. Miller; Prácticas de Electrónica,7ma. Edición, México, Marcombo, 2003.