diodos para aplicaciones especiales

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Presentación por José Quiles Hoyo

Diodos para aplicaciones especialesDiodos para aplicaciones especiales

• El diodo Zener .• El regulador Zener con carga• Dispositivos optoelectrónicos

– Emisores de luz– Sensibles a la luz

• El diodo Schottky• El varicap• Los varistores


Diodo ZenerDiodo Zener

El diodo Zener funciona enpolarización inversa utilizandoel fenómeno de conducción porruptura o avalancha.

Para una tensión inversa dada,llamada tensión Zener, ésta semantiene constante aunque lacorriente varíe.

En polarización directafunciona como un diodonormal.

Tensión Zener

Vz

V

I

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Se debe a una fuerte generación de portadores en lazona de transición debido a estas dos causas:

• Multiplicación por avalancha

• Ruptura Zener

Región ZenerRegión Zener

En la práctica, ambos fenómenos se confunden. Se hablade “zona zener” y de “tensión zener” y de “zona deavalancha” y de “tensión de avalancha”.


zona de transición

P ligeramente dopado N altamente dopado

Se produce con tensiones inversas mayores de 5 V. El campo eléctrico aceleralos portadores minoritarios que atraviesan la zona de transición con la energíacinética suficiente para romper enlaces covalentes generando más portadores. Siel campo es suficientemente intenso, los nuevos portadores vuelven a chocar ygenerar más portadores. Se produce una reacción en cadena que generamuchísimos portadores. El dopado controla el fenómeno de avalancha: cuantomás débil es, a mayor tensión se produce.

avalancha de electrones

Portador minoritario

Multiplicación por avalanchaMultiplicación por avalancha

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Para tensiones por debajo de 5 V. El campo eléctrico es suficientementeintenso como para romper directamente enlaces. Ambos dopados deben sermuy intensos (≈1024 átomos/m3 ).

Ruptura ZenerRuptura Zener

zona de transición

P altamente dopado N altamente dopado


Vz

R

V0 Vs

Vz

Modelización del diodo ZenerModelización del diodo Zener

V

I

R

V0 Vs< Vz

No conduce

Vs< Vz

Vz

R

V0 Vs= Vz

Vs= VzConduce

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Diodo Zener: aplicacionesDiodo Zener: aplicaciones

Vz=5V

R=1kΩ

V0 = 6V I

Las tensiones Vz≈ [3 - 20V]

mA1k1

56R

VVI z0 =−=−=

P = VzI = 5V·1mA = 5 mW

Vs Vs = VZ= 5V

t

V

t

VVs = Vz

Regulador de tensión

Atenuador de rizado

VzV0

Vs

Vrizada


Regulador zener con cargaRegulador zener con carga

Primeramente supondremos que están

conectados directamente, por lo

tanto vC = vL entonces:

Problemas que podemos tener:

RL variable (variaciones de carga).

Variaciones de tensión de red (variaciones de red).

Anteriormente habíamos visto este circuito:

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Diodo zener con carga

Diodo zener con carga

Debido a estos dos problemas la onda de salida de ese circuito

puede variar entre dos valores y como nuestro objetivo es obtener

una tensión constante a la salida tendremos que hacer algo. Para

resolver este problema ponemos un regulador de tensión basado en

el diodo zener.


DISPOSITIVOS OPTOELECTRONICOS DISPOSITIVOS OPTOELECTRONICOS

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Dispositivos optoelectrónicosDispositivos optoelectrónicos

Emisores de luzConvierten el movimiento de cargas eléctricas en energía luminosa.Los más utilizados son:- Diodo Luminiscente (LED)- Diodo de infrarrojos (IRED)- Diodo láser

Sensibles a la luzConvierten la energía luminosa en una carga o corriente eléctrica.Los más utilizados son:- Fotorresistencia- Fotodiodo- Fototransistor


Es un componente electrónico que como su nombre indica una vez activado por una corriente eléctrica produce una radiación luminosa visible, y que dependiendo de la mezcla de sustancias de su composición esta radiación puede ser de diferente color

Diodos emisores de luz (LED)Diodos emisores de luz (LED)

P N

BANDA DE CONDUCCIÓN

FOTÓN

BANDA DE VALENCIA

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Diodo LEDDiodo LED

5mAa -30mA

1.5 a 2,2 voltiosCon polarizacióndirecta


Compuestos empleados en la construcción de LED.Compuestos empleados en la construcción de LED.

Compuesto Color Long. de onda

Arseniuro de galio (GaAs)

Infrarrojo 940nm

Arseniuro de galio y aluminio(AlGaAs)

Rojo e infrarrojo 890nm

Arseniuro fosfuro de galio (GaAsP)

Rojo, naranja yamarillo

630nm

Nitruro de galio (GaN) 525nm

verde 525nm

Seleniuro de zinc (ZnSe)

azul 450nm

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Color de la luz emitida por LEDColor de la luz emitida por LED

GaAs dopado con Zn

GaP dopado con N

GaP dopado con Zn

SiC, ZnSe

GaAs0.6P0.4

GaAs0.35P0.65

GaAs0.15P0.85

IR

V (V)

I

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APLICACIONES DE DIODOS

Sensores de luz: FotómetrosSensor de lluvia en vehículosDetectores de humoTurbidímetrosSensor de Color

LED azul

LED verde

LED rojo Fotodiodo

Objetivo

LED

Antiguo display LED de una calculadora.

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Aplicaciones de los LEDAplicaciones de los LEDNo se puede mostrar la imagen en este momento.

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DIODO IREDDIODO IRED

Los diodos infrarrojos (IRED) se emplean desde mediados del siglo XX en mandos a distancia de televisores, habiéndose generalizado su uso en otros electrodomésticos como equipos de aire acondicionado, equipos de música, etc. y en general para aplicaciones de control remoto, así como en dispositivos detectores.

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APLICACIONES DE DIODOS


Detectores reflexión de espejo


Detectores reflexión de objeto


Detectores de barrera


DIODO LÁSER LD O ILDDIODO LÁSER LD O ILD"un diodo láser es dispositivo semiconductor similar a los diodos LED pero que bajo las condiciones adecuadas emite luz láser. A veces se los denomina diodos láser de inyección, o por sus siglas inglesas LD o ILD."

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DIODOS LÁSERDIODOS LÁSER

• Los diodos láser diferencian de los lásersconvencionales, tales como el helio- neón(He-Ne), rubí, y tipos de gas, de variasmaneras.

• Tamaño y peso pequeños : Un diodo típicodel láser mide menos de un milímetro

• Baja corriente, voltaje, y requisitos deenergía : La mayoría de los diodos de láserrequieren solamente algunos milivatios deenergía en 3 a 12 voltios de C.C.

• Rayo de ángulo ancho : Un diodo del láserproduce un "cono" más bien que un "lápiz"de luz visible o IR, aunque este "cono" sepuede enfocar usando lentes convexos."



Aplicaciones de los diodos láserAplicaciones de los diodos láser

• Comunicaciones de datos por fibra óptica.

• Lectores de CDs, DVDs, Blu-rays, HD-DVDs, entre otros.

• Impresoras láser.• Escáneres o digitalizadores.• Sensores.• Armas láser.

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SENSIBLES A LA LUZSENSIBLES A LA LUZ


Fotorresistencia LDRFotorresistencia LDR

El LDR(Light Dependent Resistor)O resistencia dependiente de la luz, es una resistencia que varia su valor en función de la luz que incide sobre su superficie. Cuanto mas sea la intensidad de luz que incida en su superficie menor será su resistencia y contra menos luz incida mayor será la resistencia

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Símbolo de la fotorresistencia LDR y modelo de encapsulado plástico Símbolo de la fotorresistencia LDR y modelo de encapsulado plástico

a) Símbolos de la fotorresistencia LDR yb) Modelo de encapsulado plástico de un LDR.


Fotodiodo:Diodo semiconductor pn

polarizado en inversa demanera que la luz que incidesobre él genera una corrienteen el circuito externo.

Debido a su construcción, losfotodiodos se comportan comocélulas fotovoltaicas, es decir,en ausencia de luz exteriorgeneran una tensión muypequeña con el positivo en elánodo y el negativo en elcátodo. Esta corrientepresente en ausencia de luzrecibe el nombre de corrientede oscuridad


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Aplicaciones de los fotodiodos: Aplicaciones de los fotodiodos:

• Control de iluminación y brillo. • Control remoto por infrarrojos. • Enfoque automático y control de

exposición en cámaras. • Codificadores de posición. • Medidas de distancia, espesor,

transparencia. • Detectores de proximidad y

presencia.


FototransistorFototransistor

Es una combinación integrada de fotodiodo y transistor bipolar npn (sensible a la luz) donde la base recibe la radiación óptica

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FOTOTRANSISTORES (Phototransistor)

DISTINTOS

ENCAPSULADOS


Diodo SchottkyDiodo Schottky

• Basado en una unión metal–semiconductor.• No existen portadores minoritarios en la partemetálica, por lo que el tiempo de recuperacióninverso es mucho menor.• Se polariza de modo directo conectando elsemiconductor tipo n al cátodo, y el metal alánodo• Existe zona de carga espacial sólo en el ladosemiconductor.• El flujo de corriente no se debe a la difusiónde portadores como en la unión p-n.• En ambos lados el portador mayoritario es elelectrón.• Rectifica corrientes alternas del orden de losGHz.

-

metal (W, Mo,...)

n

+

+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -

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Estructura de un diodo Schottky.Estructura de un diodo Schottky.

El diodo esta compuesto por un metal y un semiconductor (tipo N)


Los materiales mas utilizados para crear los diodosSchottky

son:

Los materiales mas utilizados para crear los diodosSchottky

son:

metales:

• Platino.

• Titanio.

• Oro.

con los semiconductores:

• Silicio. (Si)

• Arseniuro de galio. (GaAs)

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PARAMETROS.PARAMETROS.

• El parámetro q Φm[eV] es la funcióntrabajo del metal.

• La cantidad q Φs[eV] es la funcióntrabajo delsemiconductor.


Diodo de Schottky (en Polarización Inversa)Diodo de Schottky (en Polarización Inversa)

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POLARIZACIÓN DIRECTA.POLARIZACIÓN DIRECTA.

Si ahora se aplica una tensión positiva (V) almetal respecto del semiconductor, la barrerasemiconductor-metal, se reduce.

En esta situación, los electrones pueden fluirfácilmente desde el semiconductor hacia elmetal, porque la anchura de la barrera se hareducido.


Diodo de Schottky (en Polarización Directa)Diodo de Schottky (en Polarización Directa)

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FUNCIONAMIENTO IDEAL.FUNCIONAMIENTO IDEAL.

El diodo de barrera Schottky tiene una característicatensión-corriente similar a la de un diodo de Siliciocomún, excepto que la tensión umbral es más baja,del orden de 0.2v

Como responde mucho más rápido que un diodo normaltiene gran valor en aplicaciones de conmutación dealta velocidad.


FUNCIONAMIENTO REAL.FUNCIONAMIENTO REAL.

La anchura de la barrera varía con la tensiónaplicada, mayormente con polarizacióninversa.

Pero en polarizacion directa, los electrones deconducción experimentan una fuerza en elmetal que los atrae hacia la superficie delmetal disminuyendo la anchura de la barreray apartando la relación corriente-tensión desu valor ideal.

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CIRCUITO EQUIVALENTE.CIRCUITO EQUIVALENTE.

El circuito equivalente depequeña señal del diodoSchottky cuyo símboloesquemático se muestraen la figura a)

La imagen de la figura b)muestra elcomportamiento deldiodo schottky pormedio de componenteselectronicos.


COMPARACIÓNES.COMPARACIÓNES.

• Los diodos Schottky tienen muchasaplicaciones porque presentan algunasventajas respecto a los diodos de unión PN.

• El diodo Schottky presenta una mayorcorriente lo que se manifiesta por medio deuna menor tensión de umbral, alrededor de0.2v a 0.3v

• Mayor velocidad de respuesta temporal.

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Schottky vs Diodo “PN”Schottky vs Diodo “PN”

• Para un diodoSchottky un tiempode conmutacióntípico es de 1 ps, entanto que un diodocomún está en elorden de 1 ns.

• Mayor corriente entregada.

• Voltaje de polarizacion (diodo 0.7v diodo schottky 0.2v a 0.3v)


La unión PN polarizada inversamente puede asimilarse a un condensador de placas planas (zona de transición).

Esta capacidad se llama Capacidad de Transición (CT).

Notar, que al aumentar la tensión inversa aumenta la zona de transición. Un efecto parecido al de separar las placas de un condensador (CTdisminuye).

DIODOS ESPECIALES

Diodo Varicap (Varicap , Varactor or Tuning diode)

P N

- +-

-

-

-

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

d

Dieléctrico

CT

VI

30 pF

10 V

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DIODOS ESPECIALES

Diodo Schottky (Schottky diode)

Unión Metal-semiconductor N. Produciéndose el llamado efecto schottky.

La zona N debe estar poco dopada.

Dispositivos muy rápidos (capacidades asociadas muy bajas).

Corriente de fugas significativamente mayor.

Menores tensiones de ruptura.

Caídas directas mas bajas (tensión de codo ≅ 0.2 V).

Aplicaciones en Electrónica Digital y en Electrónica de Potencia

El efecto Schottky fue predicho teóricamente en 1938 por Walter H. Schottky


Un varistor es un componente electrónico cuyaresistencia óhmica disminuye cuando la tensión eléctricaque se le aplica aumenta; tienen un tiempo de respuestarápido y son utilizados como limitadores de picos voltaje.Fabricados básicamente con óxido de zinc ydependiendo del fabricante se le añaden otrosmateriales para agregarle las características no linealesdeseables. Se utiliza para proteger los componentes mássensibles de los circuitos contra variaciones bruscas devoltaje o picos de corriente que pueden ser originados,entre otros, por relámpagos conmutaciones y ruidoeléctrico.

VARISTORES

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diodos para aplicaciones especiales

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