Diodos Especiales

DIODOS ESPECIALES

Introducción

Este apunte es una introducción general a diversos diodos con propiedades eléctricas especiales. Para comprender en detalle el funcionamiento de estos dispositivos se requieren conocimientos de mecánica cuántica y teoría de bandas, por lo que aquí sólo se dará un tratamiento elemental, reservando su explicación completa para futuros cursos de física de los semiconductores. Los dispositivos que serán analizados son los siguientes:

• Diodos: □ Zener

□ Schottky

□ Varicap

□ Túnel

Tipos de diodos

Existen distintos diodos en los cuáles su geometría, niveles de dopaje o materiales semiconductores se diseñan de modo de lograr un desempeño adecuado para ciertas funciones especiales. Los diodos especiales más habituales, junto con sus símbolos típicos, se ilustran en la Fig. 1.

Diodo Zener Diodo Schottky Diodo Túnel Diodo Varicap

Fig. 1

Existen también otros dispositivos de juntura PN, como los LEDs, los diodos láser, los fotodetectores, los diodos PIN, los diodos de avalancha, los SCR, etc. que los hemos agrupado para su estudio dentro de otros apuntes (Dispositivos Opto-electrónicos o Dispositivos de Potencia). También existen otros diodos especiales que no se incluyen en este apunte, como por ejemplo el diodo Gunn, porque su uso es muy poco frecuente.

En la Fig. 2 se muestran posibles clasificaciones hechas por Fairchild para los diodos más habituales.

Fig. 2

Curva característica del diodo convencional

La curva I-V del diodo PN rectificador elemental se ilustra en la Fig. 3.

Fig. 3

El modelo matemático más empleado es el de Shockley que permite aproximar el comportamiento del diodo en la mayoría de las aplicaciones:

Donde:

I es la intensidad de la corriente que atraviesa el diodo

VD es la diferencia de tensión entre los extremos del diodo.

IS es la corriente de saturación (aproximadamente 10−12 Amper)

q es la carga del electrón cuyo valor es 1.6 * 10 − 19

T es la temperatura absoluta de la unión

k es la constante de Boltzmann

n es el coeficiente de emisión, que depende del proceso de fabricación del diodo, y toma valores del orden de 1 (para el germanio) y del orden de 2 (silicio).

Tensión umbral (ON voltage). Coincide en valor con la tensión de la zona de carga espacial del diodo no polarizado.

Corriente máxima (Imax). Es la intensidad de corriente máxima que puede conducir el diodo en directa sin fundirse por el efecto Joule. Depende sobre todo del diseño geométrico y la capacidad de disipar potencia.

Corriente inversa de saturación (Is). Es la pequeña corriente que en polarización inversa se establece por la formación de pares electrón-hueco debido a la energía térmica. Se duplica ante cada incremento de 10º. También existe una corriente adicional debido a la “Corriente superficial de fugas”, que aumenta con la tensión inversa de polarización.

Tensión de ruptura (Vr). A partir de un determinado valor de tensión se produce la ruptura inversa del diodo, lo que implica un fuerte incremento en la corriente inversa, como se analizará a continuación.

Tipos de ruptura inversa: Avalancha y Zener

A medida que aumenta la tensión de polarización inversa de un diodo PN crece la extensión de la zona desierta y la magnitud del campo eléctrico máximo de la juntura. Para cierto valor de tensión inversa (tensión de ruptura o de avalancha) puede ocurrir que los portadores alcancen energías tan altas que al chocar con la red generen nuevos portadores (Fig. 4). Este efecto multiplicador en la cantidad de portadores debe ser limitado mediante una resistencia serie externa para evitar la destrucción del diodo.

Fig. 4

En cambio, si el dopaje del diodo es mayor, la zona desierta será más reducida, y no habrá distancia suficiente para acelerar a los portadores como para generar el efecto avalancha. En este caso, si la tensión inversa es suficientemente grande, se producirá un desprendimiento de portadores de la zona de vaciamiento por un efecto cuántico llamado “efecto túnel”.

En general, en los diodos están presentes tanto el efecto Zener como el efecto de Avalancha, pero el efecto predominante será aquel que se produzca a menor tensión inversa. En los diodos de silicio es posible lograr el efecto Zener para valores de aproximadamente 1 a 5.6 Volts, mientras que por sobre 5.6 Volts predomina el efecto de avalancha.

Generalmente, cuando se habla de un “diodo Zener” se hace referencia a diodos que se utilizan polarizados en la tensión de ruptura

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