diodo zener y diodo tunel
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Diodo Zener
Características del diodo Zener
El diodo zener es un tipo especial de diodo, que siempre se utiliza polarizado inversamente.
Recordar que los diodos comunes, como el diodo rectificador (en donde se aprovechan suscaracterísticas de polarización directa y polarización inversa), conducen siempre en el sentido de laflecha.
En este caso la corriente circula en contra de la flecha que representa el diodo. Si el diodozener se polariza en sentido directo se comporta como un diodo rectificador común.
Cuando el diodo zener funciona polarizado inversamente mantiene entre susterminales un voltaje constante.
En el gráfico se ve el símbolo de diodo zener (A - ánodo, K - cátodo) y el sentido dela corriente para que funcione en la zona operativa
Se analizará el diodo Zener, no como un elemento ideal, si no como un elemento real y se debetomar en cuenta que cuando éste se polariza en modo inverso si existe unacorriente que circula ensentido contrario a la flecha del diodo, pero de muy poco valor.
Curva característica del diodo Zener
Analizando la curva del diodo zenerse ve que conforme se va aumentando negativamente elvoltaje aplicado al diodo, la corrienteque pasa por el aumenta muy poco.
Pero una vez que se llega a un determinado voltaje, llamada voltaje o tensión de Zener (Vz), elaumento del voltaje (siempre negativamente) es muy pequeño, pudiendo considerarse constante.
Para este voltaje, la corriente que atraviesa el diodo zener, puede variar en un gran rango devalores. A esta región se le llama la zona operativa.
Esta es la característica del diodo zener que se aprovecha para que funcione comoregulador devoltaje, pues el voltaje se mantiene practicamente constante para una gran variación de corriente.Ver el gráfico.
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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 pequeñosincrementos 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 10º 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.
Teóricamente, al polarizar inversamente el diodo, este conducirá la corriente inversa de saturación;
en la realidad, a partir de un determinado valor de la tensión, en el diodonormal o de unión
abrupta la ruptura se debe al efecto avalancha; no obstante hay otro tipo de diodos, como los Zener,
en los que la ruptura puede deberse a dos efectos:
Efecto avalancha (diodos poco dopados). En polarización inversa se generan pares
electrón-hueco que provocan la corriente inversa de saturación; si la tensión inversa es elevada
los electrones se aceleran incrementando su energía cinética de forma que al chocar con
electrones de valencia pueden provocar su salto a la banda de conducción. Estos electrones
liberados, a su vez, se aceleran por efecto de la tensión, chocando con más electrones de
valencia y liberándolos a su vez. El resultado es una avalancha de electrones que provoca una
corriente grande. Este fenómeno se produce para valores de la tensión superiores a 6 V.
Efecto Zener (diodos muy dopados). Cuanto más dopado está el material, menor es la
anchura de la zona de carga. Puesto que el campo eléctrico E puede expresarse como cociente
de la tensión V entre la distancia d; cuando el diodo esté muy dopado, y por tanto d sea
pequeño, el campo eléctrico será grande, del orden de 3·105 V/cm. En estas condiciones, el
propio campo puede ser capaz de arrancar electrones de valencia incrementándose la corriente.
Este efecto se produce para tensiones de 4 V o menores.
Para tensiones inversas entre 4 y 6 V la ruptura de estos diodos especiales, como los Zener, se
puede producir por ambos efectos.
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Analizando la curva del diodo zenerse ve que conforme se va aumentando negativamente el voltaje aplicadoal diodo, la corriente que pasa por el aumenta muy poco. Pero una vez que se llega a un determinado voltaje,llamada voltaje o tensión de Zener(Vz), el aumento del voltaje (siempre negativamente) es muy pequeño,pudiendo considerarse constante. Para este voltaje, la corriente que atraviesa el diodo zener, puede variar enun gran rango de valores. A esta región se le llama la zona operativa. Esta es la característica del diodo zenerque se aprovecha para que funcione comoregulador de voltaje, pues el voltaje se mantiene practicamenteconstante para una gran variación de corriente. Ver el gráfico.Diodo Túnel:Este diodo presenta una cualidad curiosa que se pone de manifiesto rápidamente al observar su curvacaracterística, la cual se ve en el gráfico. En lo que respecta a la corriente en sentido de bloqueo se comportacomo un diodo corriente, pero en el sentido de paso ofrece unas variantes según la tensión que se le somete.La intensidad de la corriente crece con rapidez al principio con muy poco valor de tensión hasta llegar a lacresta (C) desde donde, al recibir mayor tensión, se produce una pérdida de intensidad hasta D que vuelve aelevarse cuado se sobrepasa toda esta zona del valor de la tensión.
CURVA CARACTERÍSTICA DELDIODO
Con la polarización directa los electrones portadores aumentan su velocidad y al chocar con los átomos generancalor que hará umentar la temperatura del semiconductor. Este aumento activa la conducción en el diodo.
Característica I/V de un diodo semiconductor
Vu Tensión umbral
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Vs Tensión de saturación
Vr Tensión de ruptura
OA Zona de baja polarización directa, pequeña corriente
AB Zona de conducción
OC Corriente inversa de saturación
A partir de C, zona de avalancha
¿Qué hace un regulador con Zener?
Un regulador con diodo zener ideal mantiene un voltaje predeterminado fijo a su salida,sinimportar las variaciones de voltaje en la fuente de alimentación y/o las variacionesdecorriente en la carga.
Nota: En las fuentes de voltaje ideales (algunas utilizan, entre otros elementos el diodo zener),el voltaje de salida no varía conforme varía la carga.
Pero las fuentes no son ideales y lo normal es que el voltaje de salida disminuya conforme la cargava aumentado, o sea conforme la demanda de corriente de la carga aumente. (ver:resistencia interna de las fuentes de tensión)
Efecto tunel
Los diodos de efecto tunel son dispositivos muy versátiles que pueden operar como detectores, amplificadores
y osciladores. Poseen una región de juntura extremadamente delgada que permite a los portadores cruzar con
muy bajos voltajes de polarización directa y tienen una resistencia negativa, esto es, la corriente disminuye a
medida que aumenta el voltaje aplicado.
Estos dispositivos presentan una característica de resistencia negativa; esto es, si aumenta la tensión
aplicada en los terminales del dispositivo, se produce una disminución de la corriente (por lo menos en una
buena parte de la curva característica del diodo). Este fenómeno de resistencia negativa es útil para
aplicaciones en circuitos de alta frecuencia como los osciladores, los cuales pueden generar una señal
senoidal a partir de la energía que entrega la fuente de alimentación.
El efecto tunel es un fenómeno nanoscópico por el que una partícula viola losprincipios de la mecánica clásica
penetrando una barrera potencial o impedancia mayor que la energía cinética de la propia partícula. Una
barrera, en términos cuánticos aplicados al efecto tunel, se trata de una cualidad del estado energético de la
materia análogo a una "colina" o pendiente clásica, compuesta por crestas y flancos alternos, que sugiere que
el camino más corto de un móvil entre dos o más flancos debe atravesar su correspondiente cresta intermedia
si dicho objeto no dispone de energía mecánica suficiente como para imponerse con la salvedad de
atravesarlo.
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A escala cuántica, los objetos exhiben un comportamiento ondular; en la teoría cuántica, un cuanto
moviéndose en dirección a una "colina" potencialmente energética puede ser descrito por su función de onda,
que representa la amplitud probable que tiene la partícula de ser encontrada en la posición allende la
estructura de la curva. Si esta función describe la posición de la partícula perteneciente al flanco adyacente al
que supuso su punto de partida, existe cierta probabilidadde que se haya desplazado "a través" de la
estructura, en vez de superarla por la ruta convencional que atraviesa la cima energética relativa.
Descripción del diodo tunel
El Diodo tunel es un diodo semiconductor que tiene una unión pn, en la cual se produce el efecto tunel que da
origen a una conductancia diferencial negativa en un cierto intervalo de la característica corriente-tensión. Los
diodos Tunel son generalmente fabricados en Germanio, pero también en silicio y arseniuro de galio.
La presencia del tramo de resistencia negativa permite su utilización como componente
activo(amplificador/oscilador). Una característica importante del diodo tunel es su resistencia negativa en un
determinado intervalo de voltajes de polarización directa. Cuando la resistencia es negativa, la corriente
disminuye al aumentar el voltaje. En consecuencia, el diodo tunel puede funcionar como amplificador, como
oscilador o como biestable. Esencialmente, este diodo es un dispositivo de baja potencia para aplicaciones
que involucran microondas y que están relativamente libres de los efectos de la radiación.
Si durante su construcción a un diodo invertido se le aumenta el nivel de dopado, se puede lograr que su
punto de ruptura ocurra muy cerca de los 0V. Los diodos construidos de esta manera, se conocen como
diodos tunel. Estos dispositivos presentan una característica de resistencia negativa; esto es, si aumenta la
tensión aplicada en los terminales del dispositivo, se produce una disminución de la corriente (por lo menos en
una buena parte de la curva característica del diodo). Este fenómeno de resistencia negativa es útil para
aplicaciones en circuitos de alta frecuencia como los osciladores, los cuales pueden generar una señal
senoidal a partir de la energía que entrega la fuente de alimentación.
Estos diodos tienen la cualidad de pasar entre los niveles de corriente Ip e Iv muy rápidamente, cambiando de
estado de conducción al de no conducción incluso más rápido que los diodos Schottky.
Curva característica del diodo tunel
Cuando se aplica una pequeña tensión, el diodo tunel empieza a conducir (la corriente empieza a fluir). Si se
sigue aumentando esta tensión la corriente aumentará hasta llegar un punto después del cual la corriente
disminuye. La corriente continuará disminuyendo hasta llegar al punto mínimo de un "valle" y después volverá
a incrementarse. esta ocasión la corriente continuará aumentando conforme aumenta la tensión.
Los diodos tunel tienen la cualidad de pasar entre los niveles de corriente Ip e Iv muy rápidamente, cambiandode estado de conducción al de no conducción incluso más rápido que los diodos Schottky.