Diodo

Bells diodos rectificadors semiconductors.

Un diodo ye un dispositivo electronico. O suyo funcionamento se basa en as valvulas de vueito, ya que premite o fluixo d'a corrient electrica en una dirección, pero la bloqueya en o sentito contrario (restrinchindo lo movimiento d'os electrons).

De forma simplificata, la curva caracteristica d'un diodo (I-V) ye formata por dos rechions, por debant de cierta esferencia de potencial, se comporta como un cercuito ubierto (no conductor), y por dezaga d'ista como un cercuito zarrato con una muit chicota resistencia electrica.

Debito a iste comportamiento, se lis gosa decir rectificadors, ya que son dispositivos capaces de convertir una corrient alterna en corrient contina (por meyo d'un cercuito especial dito puent rectificador).

Diodo p-n (normal)

Os diodos p-n son unions de dos materials semiconductors extrinsecos de tipo p y n, por lo que tamién reciben a denominación d'unión p-n.

Formación d'a zona de carga espacial

Unindo istos dos materials, se manifiestan dos procesos:

1. A difusión de vueitos d'o material p enta o n ( J_h ), y
2. Una corrient d'electrons d'o material n enta o p ( J_y ).

En establir-sen istas corrients apareixen cargas fixas en una zona a un costato y a l'atro d'a unión, zona que recibe diferents denominacions como: zona de carga espacial, d'agotamiento, de deflexión, etz.

A mida que progresa o proceso de difusión, a zona de carga espacial va ixamplando-se afondando en os materials a un costato y a l'atro d'a unión. Manimenos, l'acumulación de cargas induce una esferencia de tensión (V) que actuará sobre os electrons con una determinata fuerza de desplazamiento que s'oposará a la difusión de vueitos y a la corrient d'electrons y rematará aturando-los.

Ista esferencia de tensión d'equilibrio (V₀) ye de 0.7 V en o caso d'o silicio y 0.3 V si o material ye o chermanio.

L'amplaria d'a zona de carga espacial una vegata que s'ha plegato a lo equilibrio, gosa estar de l'orden de 0,5 micrometros pero quan un d'os materials ye muito mas dopato que no l'atro, a zona de carga espacial ye muito mayor.

Se diz diodo a lo dispositivo asinas obtenito, que en un caso como lo descrito, tal que no se troba sozmeso a una esferencia de potencial externa, se diz que no ye polarizato. A lo estremo p, a on que s'acumulan cargas negativas li se diz anodo, representando-se por a letra A, mientres que a zona n, o catodo, se representa por a letra C (o K).

A (p)		C ó K (n)
Representación simbolica d'o diodo p-n.

Quan se sozmete a lo diodo a una esferencia de tensión externa, se diz que o diodo ye polarizato, podendo estar a polarización

• inversa: V_p > V_n, u
• dreita: V_p < V_n.

Polarización inversa d'o diodo p-n

Polarización inversa

En iste caso, lo polo negativo d'a batería se conecta a la zona p (la de menor tensión) lo que fa aumentar a zona de carga espacial, y por tanto a tensión en dita zona dica que se consigue a valor d'a tensión d'a batería.

En ista situación, o diodo no habría de conducir a corrient; manimenos, a causa de l'efecto d'a temperatura se formarán parellas electrón-vueito (se veiga semiconductor) a un costato y a l'atro d'a unión producindo una chicota corrient (de l'orden d'1 μA) dita corrient inversa de saturación.

Por efecto d'a polarización inversa, as concentracions de minoritarios—electrons en a zona p (n_p), y vueitos en a zona n (p_n}) -- disminuyen en amanar-se a la unión dende as valors inicials d'o diodo no polarizato dica anular-se.

Polarización dreita d'o diodo p-n.

Polarización dreita

En iste caso, a lo contrario que en l'anterior, a batería disminuye a barrera de potencial d'a zona de carga espacial, premitindo lo paso d'as corrients d'electrons y vueitos a traviés d'a unión; ye decir, o diodo polarizato dreitament conduce a electricitat.

As concentracions de conductors minoritarios, s'incrementan dende as valors inicials en amanar-se a la unión.

En a representación simbolica d'o diodo, a flecha indica o sentito d'a polarización dreita.

Curva caracteristica

Curva caracteristica d'o diodo

Tensión de muga, de codo u de partita (V_γ).
A tensión de muga de polarización dreita coincide en valor con a tensió d'a zona de carga espacial d'o diodo no polarizato. En polariza dreitament o diodo, a barrera de potencial inicial se va reducindo, incrementando a corrient licherament, arredol de l'1 0'o nominal. Manimenos, quan a tensión externa supera a tensión de muga, a barrera de potencial desapareixe, de traza que ta chicotz incrementos de tensión se producen grans variacions d'a intensidat.

Corrient maxima (I_maix ).
Ye a intensidat de corrient maxima que puet conducir o diodo sin fundir-se por l'efecto Joule. Ya que ye función d'a cantidat de calor que puet disipar o diodo, pende sobretot d'o disenyo d'iste.

Corrient inversa de saturación (I_s).
Ye a chicota corrient que s'estableixe quan se polariza inversament o diodo por a formación de parellas electrón-vueito. Ye función d'a temperatura d'o material y se duplica por cada incremento de 10 °C en a temperatura.

Tensión de ruptura (V_r).
Teoricament, quan se polariza inversament o diodo, iste conducirá la corrient inversa de saturación; en realidat, a partir d'una determinata valor d'a tensión de l'orden de 5 V, o diodo prencipia a conducir tamién en polarización inversa.

A ruptura puet estar debita a dos efectos:

• Efecto lurte (diodos poco dopatos). En polarización inversa se cheneran parellas electrón-vueito que prevocan a corrient inversa de saturación; si a tensión inversa ye alta os electrons s'aceleran incrementando a suya enerchía cinetica de traza que quan chocan con electrons de balencia pueden brincar a la zona de conducción. Istos electrons liberatos, quan tornan, s'aceleran por efecto d'a tensión, chocando con mas electrons de balencia y liberando-los a la suya tornata. O resultato ye un lurte d'electrons que prevoca una corrient gran. Iste fenoment se produce ta valors d'a tensión superiors a 6 V.

• Efecto Zener (diodos muit dopatos). Quanto mas dopato ye o material, menor ye l'amplaria d'a zona de carega. Dato que o campo electrico Y puet exprisar-se como cocient d'a tensión V entre a distancia d; quan o diodo sía muit dopato, y por tanto d sía chicot, o campo electrico será gran, de l'orden de 3·10⁵ V/cm. En istas condicions, o propio campo puet estar capaz d'arrancar electrons de balencia incrementando-se a corrient. Iste efecto se produce ta tensions de 4 V u menors.

Ta tensions inversas entre 4 y 6 V a ruptura d'o diodo se puet producir por istos dos efectos.

Modelos matematicos

O modelo matematico mas emplegato ye o de Shockley (en honor a William Bradford Shockley) que premite aproximar o comportamiento d'o diodo en a mayoría d'as aplicacions. A equación que liga a intensidat de corrient electrica y a esferencia de potencial ye:

$I=I_S \left( {y^{qV_D \over nkT}-1} \right)$

A on:

• I ye a intensidat d'a corrient que traviesa o diodo y V_D a esferencia de tensión entre os suyos estremos.
• I_S ye a corrient de saturación
• q ye a carga d'o electrón
• T ye la temperatura absoluta d'a unión
• k ye la constant de Boltzmann
• n ye o coeficient d'emisión, pendendo d'o proceso de fabricación d'o diodo y que gosa adoptar valors entre 1 (ta o chermanio) y de l'orden de 2 (ta o silicio).
• O termin V_T = kT/q = T/11600 ye a tensión debita a la temperatura, de l'orden de 26 mV a temperatura ambient (300 K o 27 °C).

Ta evitar l'uso d'exponencials (encara que son un d'os modelos mas sencillos), en ocasions s'usan modelos mas simples encara, que modelan as zonas de funcionamiento d'o diodo por trampos rectos; son os ditos modelos de contina que s'amuestran en a fegura. O mas simple de totz (4) ye o diodo ideyal.

Modelos de contina

Diodos dopatos con oro

L'oro prevoca a supresión d'os portiadors minoritarios. Ixo disminuye a capacidat efectiva d'o diodo, premitindo d'operar a freqüencias altas. Os diodos de chermanio y os Schottky son tan rapedos como iste, como tamién lo son os transistors bipolars "capatos" ta funcionar como diodos. Os disenyatos ta fuents d'alimentación son pensatos ta funcionar a un maximo de 400 Hz.

Diodos Zener

Son diodos que son feitos ta conducir tamién en sentito inverso. Iste efecto, dito ruptura Zener, pasa a determinato voltache, fendo que se pueda empelgar o diodo como una referencia de voltache de precisión. Bells dispositivos etiquetatos como Zeners d'alto voltache, son en realidat diodos de lurte (se veiga entalto). Dos diodos Zener (equivalents) en serie y unatro d'o revés, constituyen un Transorb (marca rechistrata). Os diodos Zener son emplegatos tamién en os motors paso-a-paso y en os cercuitos con relés ta desmagnetizar as bobinas rapedament y evitar os picos de corrient que istas producen. Reciben o suyo nombre d'o Dr. Clarence Melvin Zener d'a Southern Illinois University, inventor d'o dispositivo.

Diodo de lurte

Son diodos que conducen en sentito inverso quan a tensión de polarización inversa supera la tensión de ruptura. Son muit pareixitos a los Zener, y de feito se gosan trafucar, pero lo mecanismo de ruptura ye diferent. Fan uso d'o efecto lurte.

Diodo emisor de luz (LED)

Mientres os electrons trescruzan a unión, s'emiten fotons. En a mayoría d'os diodos, son reabsorbitos, y son emesos a freqüencias no visibles (a sobén infrarroyos). Manimenos, con os materials y a disposición adequata, a luz se fa visible. O potencial d'istos diodos define a suya color. D'ista traza 1.2V corresponden a lo royo y 2.4V a lo violeta. Totz os LEDs son monocromaticos.

Diodo d'infrarroyos (IRED)

Son LEDs especialment disenyatos ta emitir infrarroyos (y no como conseqüencia indreita).

Diodo láser

Quan un diodo LED se construye con forma de cavidat resonant, forma un diodo láser.

Fotodiodos

Istos tienen as unions amplas y accesibles a la luz. Os fotons pueden empentar electrons enta la unión, fendo que pase a corrient. Si o fotón no tien muita enerchía, o diodo no deixará pasar muita corrient. A vegatas s'unen un fotodiodo con un fototransistor en o mesmo encapsulato. Iste dispositivo se diz "optoacoplador", y premite un aislamiento entre dos bandas d'un cercuito (como fería un transformador), pero premitindo transmitir os sinyals de corrient contina (a esferencia d'os transformadors que nomás transmiten sinyals alternos).

Diodo Schottky

Tienen muit baixa cayita de tensión en conducción dreita, de l'orden de 0.15 a 0.45V, lo que lis fa muit útils en cercuitos de baixo consumo y en cercuitos RF.

Diodo de recuperación instantania (Snap)

Premiten transicions muit rapedas.

Diodo tonel (Esaki)

Actualment se ye desembolicando una nueva cheneración de dispositivos basatos en efectos quanticos, a on que os electrons pueden travesar barreras de potencial encara quan clasicament no podeban fer-lo. Istos dispositivos d'efecto quantico son mas rapedos y consumen menos potencia que os convencionals.

Diodo Gunn

Usa o mesmo efecto que o diodo tonel, pero iste lo fa a partir d'un campo electrico que produce una corrient oscilatoria que no pende d'o cercuito externo.